CPO放量前夜，磷化铟“一炉定生死”！

当CPO把光引擎硬塞进交换芯片的封装体内，可插拔时代对衬底缺陷的宽容彻底终结。决定一张磷化铟晶圆能否扛住这场“考验”的，并非外延配方，而是拉晶那一刻对生长路径的选择。

目前，磷化铟晶体的生长方法主要包括以下几种：液封直拉法（LEC法）、垂直梯度凝固法（VGF法）、垂直布里奇曼法（VB法）和气相传输法（PVT法）。

图片来源：中国科学院半导体研究所

垂直梯度凝固法

垂直梯度凝固法（VGF法）是一种通过控制温度梯度实现晶体生长的技术，其生长装置主要由石英坩埚、加热器和温度控制系统组成。在VGF法中，磷化铟单晶的生长过程通过精确控制温度梯度来实现，晶体和熔体之间的界面保持稳定，从而有效减少了热应力和缺陷的产生。具体生长过程包括以下几个步骤：首先，将高纯度的铟和磷原料放入石英坩埚中，加热至磷化铟的熔点以上；接着，在坩埚底部放置籽晶，通过控制炉体温度梯度，使熔体从底部向上逐渐凝固；最后，通过精确控制温度梯度和冷却速率，实现单晶的稳定生长。

VGF技术具有以下显著优势：其一，完全避免了机械误差和振动对晶体生长的影响；其二，炉体内温度分布可实现高精度调控，且温度梯度较小，有利于晶体质量的提升；在晶体的成长过程中，其内部所承受的张力得到了显著缓解，从而大幅降低了晶格缺陷的发生率。此外，通过精细调控后续处理步骤，例如实施热处理或调节降温速度，可以显著减少晶体中杂质的析出，进而增强晶体的整体品质。然而，垂直梯度凝固法（VGF）也存在一定的局限性，例如晶体生长速率较慢、生产效率相对较低，同时对温度控制的精度要求极高，导致设备成本居高不下。

尽管如此，VGF法在高质量磷化铟单晶的制备中仍占据重要地位，尤其是在对晶体缺陷密度要求极为严格的光电子器件和高频器件领域。以美国AXT公司为例，其通过VGF技术成功制备出低位错密度的4英寸和6英寸磷化铟单晶。

液封直拉法

液封直拉法是1962年Metz等首先发表的可制备多种含挥发性组元的化合物半导体单晶的单晶生长技术。液封直拉技术是用惰性液体(也称覆盖剂，如B2O3)覆盖住被拉制材料的熔体，在生长室内充入惰性气体的环境下，使惰性气体的压力大于熔体的离解压力，以抑制熔体中挥发性组元的蒸发损失，这样就可使用通常的Cz（俗称直拉法）技术进行单晶拉制。

LEC法的生长过程包括以下几个步骤：①将高纯度的铟和磷原料放入石英坩埚中，加热至磷化铟的熔点（约1062℃）；②将一层B2O3液态保护剂铺展于熔体之上，以此屏障阻止磷元素的逸失；③使籽晶与熔体表层轻触，通过精细调控热力分布与提升速率，逐渐牵引籽晶，促使熔体在其上形成结晶；④通过同步旋转籽晶与容器，以促进晶体成长的均质性。

LEC技术的优势在于其晶体生长过程可以实时观察，由于技术的不断成熟，通过程序进行自动化生长磷化铟单晶已基本实现。LEC技术在生长大直径单晶方面，不论是从技术难度和产量，还是成晶率等方面都有较大的优势。

然而，LEC法也存在一些局限性，例如由于高温生长，晶体内部容易产生热应力，导致位错密度较高；此外，需要精确控制温度梯度和拉速，工艺难度较大。

尽管如此，LEC法仍然是磷化铟单晶生长的主流方法之一，广泛应用于光电子器件和光纤通信领域。例如，日本住友电工（SumitomoElectric）通过优化LEC工艺，成功生长出低位错密度的6英寸磷化铟单晶，用于高性能激光器和光电探测器的制造。

直布里奇曼法

垂直布里奇曼法（VB法）是一种通过移动坩埚或加热炉实现晶体生长的技术，其生长装置主要由石英坩埚、加热炉和移动装置组成。在VB法中，晶体生长通过利用温度梯度使熔体从一端向另一端逐渐凝固来实现。

具体生长过程包括以下几个步骤：首先，将高纯度的铟和磷原料放入石英坩埚中，加热至磷化铟的熔点以上；接着，在坩埚底部放置籽晶，通过移动坩埚或加热炉，使熔体从底部向上逐渐凝固；最后，通过控制温度梯度和冷却速率，实现单晶的稳定生长。

VB法的优势在于其设备相对简单，成本较低，适合生长中等质量的磷化铟单晶，尤其在对晶体质量要求不高的应用中具有一定的适用性。然而，VB法也存在一些局限性，例如在晶体生长过程中容易产生热应力，导致位错密度较高，同时对于温度梯度和冷却速率的控制要求较高，这使得其在高质量单晶生长中的应用受到一定限制。尽管如此，VB法在一些中等规模的磷化铟单晶生产中仍有一定的应用，特别是在对位错密度要求不高的领域。

相传输法

气相传输法（PVT法）是一种通过气相传输实现晶体生长的技术，其生长装置主要由石英坩埚、加热器和温度控制系统组成。在PVT法中，晶体生长利用高温下磷化铟的气相传输特性，使气相磷化铟在低温区重新凝结形成单晶。

具体生长过程包括以下几个步骤：首先，将高纯度的磷化铟粉末放入石英坩埚中，加热至高温使其升华；接着，通过控制温度梯度，使气相磷化铟在低温区重新凝结；最后，在低温区放置籽晶，使气相磷化铟在籽晶上结晶。

PVT法的优势在于其生长过程中热应力较小，晶体缺陷密度低，适合生长高质量、低位错的磷化铟单晶，尤其是在对晶体质量要求极高的光电子器件和高频器件领域具有重要应用潜力。然而，PVT法也存在一些局限性，例如生长速度较慢，生产效率较低，同时对温度梯度和气相传输的控制要求极高，工艺难度较大，这使得其在工业化生产中面临一定的挑战。尽管如此，PVT法在高质量磷化铟单晶的生长中仍具有独特的优势，特别是在对晶体缺陷密度要求极高的高端应用中。

参考来源：

[1]马思艺.磷化铟单晶炉结晶温场分析及其控制研究

[2]张鹏.磷化铟高压单晶炉的单机微型网络控制系统设计