磷化铟晶体缺陷的检测

刘伟伟，佟丽英

（中国电子科技集团公司第四十六研究所，天津300220）

磷化铟晶体缺陷的检测

刘伟伟，佟丽英

（中国电子科技集团公司第四十六研究所，天津300220）

通过采用不同的腐蚀液对磷化铟晶片进行腐蚀，使磷化铟晶片的各种缺陷能够清晰的显示并加以区别。在位错密度的测试过程中，综合了位错密度的计数方法，较真实地反映了磷化铟单晶片的位错状况。

磷化铟；腐蚀液；位错

磷化铟（InP）是重要的Ⅲ-Ⅳ族化合物半导体材料，具有很多优点：直接跃迁型能带结构和高的电光转换效率；电子迁移率高，易于制成半绝缘材料，适合制作高频微波器件和电路；工作温度高（400～450℃）；具有强的抗辐射能力；作为太阳能电池材料时转换效率较高。这些特性决定了InP材料在微波、毫米波通信、光纤通信、制导/导航、卫星等民用和军事等领域的广泛应用。InP材料因其自身不可替代的优越性，作为一种非常重要的战略半导体材料得到了各发达国家的重视。

由于InP在高温下很容易离解，且具有较高的蒸汽压，所以生长完整的InP单晶比Si和GaAs均困难得多。由于热应力等因素，在LEC法生长InP单晶的过程中很容易造成较高的位错密度。光电器件，如LED，LD等要求使用低位错密度的衬底，可以避免在外延层中引入大量位错导致器件性能下降、发热增多以及寿命缩短。位错还会增加非辐射复合，导致发光器件效率降低、寿命缩短［1］。高性能的产品要求有高质量的材料，因此有必要对InP晶片的各种缺陷进行规范测试。

1实验

样片：晶向＜100＞，直径76.2 mm±0.5 mm，晶向偏离5°以内进行切片，研磨，化抛。

实验一：采用H2SO4系列进行腐蚀时，H2SO4∶H2O2∶H2O=5∶2∶1，温度90℃，腐蚀时间6 min，能够清晰的显示晶体中晶粒间界及机械加工过程中机械损伤腐蚀处的缺陷图形，如图1所示。

图1化学腐蚀表面图形

实验二：采用HBr系列［2］对化抛片进行腐蚀，采用HBr∶H3PO4=2∶1，腐蚀温度20℃，腐蚀时间4～6 min，能够显示出蚀坑，但是由于晶片表面粗糙度较大，损伤层去除不彻底等原因，有一些区域的位错蚀坑不能清楚的看见，如图2（a）所示。

实验三：采用HBr系列，与实验二相同的腐蚀条件，对机械抛光片进行腐蚀，能够清楚的分辨位错，而且未见其他缺陷，如图2（b）所示。

2结　　果

2.1腐蚀液的作用

因为InP的化学特性及导热性能等因素，造成生长完美晶体的困难，容易产生各种缺陷。在缺陷腐蚀过程中，为什么实验一腐蚀结果只能见到体层错，而实验二及实验三可见线缺陷，即位错，除了与晶体本身有关外，与腐蚀液的种类有很大关系。

H2SO4系列腐蚀液为各向同性腐蚀，速率较快。在磷化铟晶片的化学腐蚀过程中，化学反应过程受络合溶解速率或氧化速率的控制。当络合溶解速率控制化学反应过程时，磷化铟表面的反应产物不能及时溶解于腐蚀液中，晶片表面形成阻挡层，阻挡层的存在抑制了化学反应的进一步进行，使得腐蚀速率下降；当氧化速率控制化学反应过程时，磷化铟表面的反应产物能够及时溶解于腐蚀液中，化学反应可以连续进行，因此控制H2SO4系列腐蚀液的配比即能显示体缺陷，如晶界及损伤缺陷，而不能显示更小尺寸的缺陷；HBr系列腐蚀液为各向异性腐蚀液，能够显示微缺陷，如位错，晶体中的晶格缺陷会引起晶格畸变，与完整区相比，缺陷周围势能较高，化学活性也较高，在HBr系列腐蚀液中会产生择优腐蚀，形成位错腐蚀坑。

图2不同方法制备位错的示意图

2.2腐蚀过程的控制

HBr系列腐蚀液是腐蚀 ＜100＞InP位错的首选试剂。但是在操作过程中危险性比较大，由于磷遇氧气发生自燃，在腐蚀过程中产生连续的爆破和闪火，因此在初期的实验过程中，一度改为其他腐蚀液进行位错腐蚀，实验证明，其他试剂进行腐蚀，可以看到多晶、夹晶及机械损伤等，而位错却不能被完全看清。因为和多晶、夹晶等缺陷相比，位错是更小尺寸的缺陷，需要更慢的择优腐蚀液进行腐蚀。因此，在HBr系列后续的实验过程中，加大腐蚀液的摇动次数，使磷与氧气的接触次数增多，每次参与反应磷减小，避免了爆破与闪火的现象发生。

2.3位错密度的测试

测试点的选取：在晶片正面选取了互成45°角的＜100＞和＜0-10＞两个方向的直径，等距离选取17个点，如图3所示。

图3位错测试点选取的示意图

平均位错密度按公式（1）的方法进行计算：

i-1，2……17；

ni-第i个测量点的位错蚀坑数目；

δ-显微镜视场常数，1/cm2。

在InP单晶拉制过程中，由于磷挥发较快，铟聚集点增值大量位错线，会造成腐蚀后位错不能看清，以前的方法是分不开的算一个；而SEMI标准［3］规定如果腐蚀坑多且相互间隔太近而难以计数，可提高显微镜的放大倍数，直到能够清楚地分清为止，这两种方法会有较大差别。在位错密度测试过程中按后者进行，表1为实验测试结果。

表1位错密度检验纪录

3结论

通过实验不同的腐蚀液，采取相应的腐蚀方法，能够清晰地显示磷化铟晶片的各种体缺陷及微缺陷。在位错密度的测试过程中，依据国际标准位错密度的计数方法，能够真实反映磷化铟单晶片的位错分布状况。而对于更小尺寸的微缺陷在现有的腐蚀检测基础上仍未见到，随着技术的进步，对磷化铟材料质量要求的逐步提高，对其他微缺陷的检测要求也将越来越高。

［1］ 潘静，杨瑞霞，骆新江，等.InP晶片位错密度分布测量［J］.微纳电子技术，2011，（3）：199-202.

［2］ 许兆鹏，《固体电子学研究与进展》，1996年2月：56-63.

［3］ SEMI M37-0699低位错密度磷化铟晶片中腐蚀坑密度（EPD）的测试方法.

Detection of InP Crystal Defects

LIU Weiwei，TONG Liying
（The 46thResearch Institute CETC，Tianjin 300220，China）

This paper reports the experiment of corrosion on the INP wafer by using different corrosive liquid，various defects of INP crystal can be showed and distinguished.In the testing process of the dislocation density，INP wafer`s dislocation distribution can be reflected truly.

InP；Corrosive；Dilocation

TN304.2

A

1004-4507（2016）06-0029-03

2016-04-27