一种高纯碳化硅单晶衬底制造技术

本申请公开了一种高纯碳化硅单晶衬底，属于半导体材料领域。该高纯碳化硅单晶衬底至少包括碳化硅单晶衬底表层和碳化硅单晶衬底主体层，该碳化硅单晶衬底表层的本征点缺陷浓度小于该碳化硅单晶衬底本体层的本征点缺陷浓度，所述碳化硅单晶衬底具有半绝缘性。该高纯碳化硅单晶衬底表层的本征点缺陷的低浓度，使得高纯碳化硅单晶作为GaN外延的基底时，GaN和碳化硅单晶的晶格适配度更高，使得制备的GaN外延层的质量更佳；且高纯碳化硅单晶的主体层具有一定浓度的内部点缺陷，可以保持高纯碳化硅单晶衬底的半绝缘特性。

【技术实现步骤摘要】
一种高纯碳化硅单晶衬底
本申请涉及一种高纯碳化硅单晶衬底，属于半导体材料领域。
技术介绍
半绝缘碳化硅(碳化硅)单晶衬底是制备GaN高频微波器件的优选半导体基底材料，这一方面取决于半绝缘碳化硅单晶衬底的高电阻率等优异性能，能够制备性能优异的电子器件；另一方面取决于碳化硅和GaN晶格常数的较高的匹配度，能够使异质外延层获得良好的结晶质量。从实现方法上来讲，半绝缘碳化硅单晶衬底的制备有掺杂和高纯两种实现方式。通过掺杂高浓度的钒元素引入大量深能级中心，将费米能级钉扎在禁带中心从而实现半绝缘特性。目前已有研究表明，高浓度的钒掺杂会在制备的器件中俘获电子从而引起背栅效应，造成器件性能降低甚至失效。随着技术的发展，通过降低晶体中的浅能级杂质浓度减少晶体中的有效载流子浓度，同时引入一定数量的本征点缺陷作为深能级中心进行补偿从而实现半绝缘特性的高纯半绝缘碳化硅单晶衬底成为主流。高纯半绝缘碳化硅单晶衬底的高阻特性的实现建立在晶体内部低浓度的电活性杂质和一定浓度的本征点缺陷如碳空位及其复合体的基础上。本征点缺陷是实现高纯半绝缘晶体的电学特性的不可或缺的特征，然而，这些点缺陷本身会引入较大的晶格应力，造成晶格畸变，从而破坏了碳化硅单晶晶格的完整性，在一定程度上影响碳化硅单晶的晶格参数。考虑到GaN采用碳化硅单晶衬底作为外延的主要原因之一即是两者晶格参数较小的失配度，点缺陷的引入将会导致GaN和碳化硅的晶格适配度增加，进而降低GaN外延层的质量。
技术实现思路
为了解决上述问题，本申请提供了一种高纯碳化硅单晶衬底。本申请的高纯碳化硅单晶衬底平衡了GaN外延层的晶体质量与高纯碳化硅晶体的电学特性之间的关系，提高了高纯碳化硅单晶衬底的质量及其与GaN外延层的晶格匹配度，同时不影响高纯半绝缘碳化硅单晶衬底的物理性能实现。该高纯碳化硅单晶衬底，其特征在于，所述的高纯碳化硅单晶衬底至少包括碳化硅单晶衬底表层和碳化硅单晶衬底主体层，所述碳化硅单晶衬底表层的本征点缺陷浓度小于所述碳化硅单晶衬底本体层的本征点缺陷浓度，所述碳化硅单晶衬底具有半绝缘性。可选地，所述碳化硅单晶衬底表层厚度和碳化硅单晶衬底主体层的厚度比例为1：4-25。可选地，所述的高纯碳化硅单晶衬底由碳化硅单晶衬底表层和碳化硅单晶衬底主体层构成。进一步地，所述的高纯碳化硅单晶衬底由碳化硅单晶衬底表面和碳化硅单晶衬底主体层构成。可选地，所述碳化硅单晶衬底表层厚度与所述碳化硅单晶衬底厚度的比值不大于31％。进一步地，所述碳化硅单晶衬底表层厚度与所述碳化硅单晶衬底厚度的比值为9％-31％。更进一步地，所述碳化硅单晶衬底表层厚度与所述碳化硅单晶衬底厚度的比值下限选自10％、15％、20％、25％或30％，上限选自10％、15％、20％、25％或30％。可选地，所述半绝缘碳化硅单晶衬底的厚度为490-510μm。可选地，所述碳化硅单晶衬底表层室温下的本征点缺陷浓度不高于1×1013cm-3。优选地，所述碳化硅单晶衬底表层室温下的本征点缺陷的浓度不高于1×1012cm-3。可选地，所述碳化硅单晶衬底主体层的本征点缺陷的浓度为1×1014～1×1016cm-3。优选地，所述碳化硅单晶衬底主体层的本征点缺陷的浓度为1×1014～1×1015cm-3。可选地，所述半绝缘碳化硅单晶衬底表层的厚度不大于150μm。可选地，所述半绝缘碳化硅单晶表层的厚度为20-150μm。优选地，所述高纯碳化硅单晶衬底经退火处理的表层厚度为50-150μm。进一步地，该高纯碳化硅单晶衬底经退火处理的表层厚度的下限选自55μm、70μm、90μm、110μm、130μm或140μm，上限选自55μm、70μm、90μm、110μm、130μm或140μm。更进一步地，所述高纯碳化硅单晶衬底经退火处理的表层厚度为80-120μm。可选地，所述碳化硅单晶衬底表层室温下基本不含有本征点缺陷，所述的碳化硅单晶衬底主体层的本征点缺陷的浓度使得所述的高纯碳化硅单晶衬底具有半绝缘性。可选地，所述碳化硅单晶衬底表层室温下仅含有该温度下固有的本征点缺陷，所述的碳化硅单晶衬底主体层的本征点缺陷的浓度使得所述的高纯碳化硅单晶衬底具有半绝缘性。作为一种实施方式，所述碳化硅单晶衬底表层室温下基本不含有本征点缺陷，所述碳化硅单晶衬底主体层的本征点缺陷的浓度为1×1014～1×1016cm-3，所述的高纯碳化硅单晶衬底中的碳化硅单晶衬底表层和碳化硅单晶衬底主体层的厚度比为1：4-25。所述碳化硅单晶衬底表层室温下基本不含有本征点缺陷是本征点缺陷浓度极低，本征点缺陷除非在绝对零度下，否则始终存在于晶体中，一定厚度内缺陷浓度最低。优选地，所述碳化硅单晶衬底表层的碳化硅单晶的晶格具有完全的完整性。可选地，所述碳化硅单晶衬底中的浅能级杂质的浓度为1×1014～1×1016cm-3。进一步地，所述浅能级杂质包括N、B、Al中的至少一种。可选地，所述的高纯碳化硅单晶衬底由包括下述步骤的方法制备得到：将高纯碳化硅单晶片进行高温快速热处理和表面退火处理，即制得所述的高纯碳化硅单晶衬底。可选地，所述高温快速热处理包括快速升温加热阶段和快速降温阶段。优选地，所述快速升温加热阶段包括以下处理条件：以30-100℃/s的速率升温至1800-2300℃，保持60-600s；所述快速降温阶段包括以下处理条件：以50-150℃/s速率快速冷却至室温。进一步地，所述快速升温加热阶段的升温速率为50-80℃/s。进一步地，所述快速升温加热阶段的保持温度为2000-2200℃，保持时间为100s-500s。更进一步地，所述快速升温加热阶段的保持温度为2100-2000℃，保持时间为150s-200s。进一步地，所述快速降温阶段包括：以100-150℃/s速率快速冷却。进一步地，所述快速降温阶段包括：以100-150℃/s速率快速冷却。所述的快速降温阶段可以将快速升温加热阶段注入的本征点点缺陷冻结在晶体中。本申请的高温快速热处理在碳化硅单晶片中注入一定数量的本征点缺陷，以避免在后续的表面退火的过程中造成过量的本征点缺陷湮灭，影响制备的碳化硅单晶衬底的半绝缘特性。优选地，所述表面退火处理控制的碳化硅单晶片的表面温度为1200-1800℃，退火处理的时间为30-90min。进一步地，该表面退火处理控制的高纯碳化硅单晶片的表面温度的下限选自1250℃、1300℃、1400℃、1500℃、1600℃、1700℃或1750℃，上限选自1250℃、1300℃、1400℃、1500℃、1600℃、1700℃或1750℃。进一步地，该表面退火处理控制的高纯碳化硅单晶片的时间的下限选自35min、45min、55min、65min、75min或85min，上限选自35min、45min、55min、65min、75min或85min。优选地，所述表面退火处理控制的高纯碳化硅单晶片的表面温度为1400-1600℃，退火处理的时间为45-60min。更进一步地，所述表面退火处理控制的高纯碳化硅单晶片的表面温度为1500-1600℃。优选地，所述表面退火处理为使用表面激光加热经高温快速热处理后的碳化硅单晶片表面；所述激光加热的步骤包括：通过激光进行往复面扫描经过高温快速热处理的碳化硅单晶片进行表面退本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高纯碳化硅单晶衬底，其特征在于，所述的高纯碳化硅单晶衬底至少包括碳化硅单晶衬底表层和碳化硅单晶衬底主体层，所述碳化硅单晶衬底表层的本征点缺陷浓度小于所述碳化硅单晶衬底本体层的本征点缺陷浓度，所述碳化硅单晶衬底具有半绝缘性。

【技术特征摘要】
1.一种高纯碳化硅单晶衬底，其特征在于，所述的高纯碳化硅单晶衬底至少包括碳化硅单晶衬底表层和碳化硅单晶衬底主体层，所述碳化硅单晶衬底表层的本征点缺陷浓度小于所述碳化硅单晶衬底本体层的本征点缺陷浓度，所述碳化硅单晶衬底具有半绝缘性。2.根据权利要求1所述的高纯碳化硅单晶衬底，其特征在于，所述碳化硅单晶衬底表层厚度和碳化硅单晶衬底主体层的厚度比例为1：4-25。3.根据权利要求1所述的高纯碳化硅单晶衬底，其特征在于，所述碳化硅单晶衬底表层的本征点缺陷的室温浓度不高于1×1013cm-3，所述碳化硅单晶衬底主体层的本征点缺陷的浓度为1×1014～1×1016cm-3；优选地，所述碳化硅单晶衬底表层室温下的本征点缺陷的室温浓度不高于1×1012cm-3，所述碳化硅单晶衬底主体层的本征点缺陷的浓度为1×1014～1×1015cm-3。4.根据权利要求1所述的高纯碳化硅单晶衬底，其特征在于，所述碳化硅单晶衬底表层的厚度不大于150μm；优选地，所述碳化硅单晶衬底表层的厚度为20-150μm。5.根据权利要求2所述的高纯碳化硅单晶衬底，其特征在于，所述碳化硅单晶衬底表层室温下基本不含有本征点缺陷，所述的碳化硅单晶衬底主体层的本征点缺陷的浓度使得所述的高纯碳化硅单晶衬底具有半绝缘性...

【专利技术属性】
技术研发人员：高超，柏文文，张红岩，
申请(专利权)人：山东天岳先进材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37