一种半绝缘碳化硅单晶的制备方法技术

本发明专利技术属于晶体生长技术领域，具体涉及一种半绝缘碳化硅单晶的制备方法。本发明专利技术通过在原料中掺杂浅能级受主元素IIIA族元素，在晶体生长过程中采用掺杂SiC原料长晶，将浅能级受主元素引入SiC晶体中，从而达到对浅能级施主杂质的充分补偿，实现SiC晶体的半绝缘特性。使用本发明专利技术生长半绝缘SiC晶体无需通过快速降温实现高浓度点缺陷的引入，从而减小了晶体应力，提高了晶体质量；较低浓度的点缺陷减少了电学性能的不稳定性；此外，通过控制掺杂浓度，可以实现对晶体电阻率的可控调节。

Preparation of a semi insulating silicon carbide single crystal

The invention belongs to the crystal growth technology field, in particular to a semi insulating silicon carbide single crystal preparation method. By doping the IIIA element of the shallow energy level acceptor element in the raw material, the long crystal of the doped SiC is used in the growth of the crystal, and the shallow energy level acceptor is introduced into the SiC crystal to achieve the full compensation of the impurity of the shallow energy level donor and the semi insulating specificity of the SiC crystal. The use of the present invention to grow the semi insulating SiC crystal without the introduction of the high concentration point defect without rapid cooling, thus reducing the crystal stress and improving the crystal quality; the low concentration point defect reduces the instability of the electrical properties; in addition, the controllable regulation of the crystal resistivity can be realized by controlling the doping concentration.

【技术实现步骤摘要】
一种半绝缘碳化硅单晶的制备方法
本专利技术属于晶体生长
，具体涉及一种半绝缘碳化硅单晶的制备方法。
技术介绍
碳化硅(SiC)单晶具有宽禁带、高热导率、高临界击穿场强和高饱和电子漂移速率等优点，因而成为第三代半导体的核心材料之一。其中，半绝缘SiC单晶衬底在高频下能够有效降低器件的介质损耗并减少寄生效应，因此是高频、微波器件的优选材料。通常的物理气相输运(PVT)法生长碳化硅单晶过程中，由于原料、保温材料及生长设备中含有较高含量的电活性杂质(如氮、硼、铝等)。这些杂质在晶体生长过程中不易完全去除并随着晶体生长进入到晶格位置。进入晶格位置的主要杂质为氮杂质，其引入的浅能级位置在导带下0.09eV处(EC-0.09eV)，使晶体呈n型低阻特性。非有意进行杂质控制的SiC晶体通常呈现n型导电特性。这是由于进入到晶格位置的主要杂质为氮杂质，其引入的浅能级位置在导带下0.09eV处(EC-0.09eV)，使其在晶体中成为浅能级施主杂质，为SiC晶体提供多余的电子。此外，进入到SiC晶体中的N浓度远远高于进入到晶体中的浅能级受主杂质，因此晶体中的净载流子主要为电子，从而呈现出n型低阻特性。为了实现碳化硅晶体的半绝缘特性，需要降低作为浅能级施主的氮元素以降低载流子浓度。CREE的研究表明，通过在晶体中引入本征点缺陷实现SiC晶体的半绝缘特性。这是由于这些本征点缺陷能够在禁带中引入深能级捕获浅能级施主释放出的电子，从而降低SiC晶体中的净载流子浓度，实现其半绝缘特性。但是现有技术中，通过高温快速冷却引入点缺陷，容易在晶体中引入较大热应力，造成晶体开裂或衬底质量变差；点缺陷在高温下易于扩散和复合湮灭。高浓度的点缺陷可能导致晶体在后续外延及器件制备过程中电学性能不稳定。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提出了一种半绝缘碳化硅单晶的制备方法，本专利技术通过在原料中掺杂浅能级受主元素，在晶体生长过程中采用掺杂SiC原料长晶，将浅能级受主元素引入SiC晶体中，从而达到对浅能级施主杂质的充分补偿，实现SiC晶体的半绝缘特性。因此，使用本专利技术生长半绝缘SiC晶体无需通过快速降温实现高浓度点缺陷的引入，从而减小了晶体应力，提高了晶体质量；较低浓度的点缺陷减少了电学性能的不稳定性；此外，通过控制掺杂浓度，可以实现对晶体电阻率的可控调节。本专利技术所述的一种半绝缘碳化硅单晶的制备方法，其具体步骤为：(1)将Si粉与C粉混合均匀，备用；(2)将IIIA族元素置于石墨容器内，备用；(3)将盛IIIA族元素的石墨容器放置在石墨坩埚底部中心的位置，然后将混合均匀的Si粉和C粉填充于石墨坩埚内，使石墨容器埋于Si粉和C粉中；(4)将石墨坩埚放置于SiC原料合成炉内后，密封炉膛；(5)将炉膛内的压力抽真空至10-3Pa并保持2-5h后，逐步向炉腔内通入保护气氛；(6)以30-50mbar/h的速率将炉膛压力提升至600-800mbar，同时以10-20℃/h的速率将炉膛内的温度提升至1900-2100℃，在此温度下保持20-50h，完成原料合成过程；(7)原料合成过程结束后，停止加热炉膛，使炉膛温度自然降低至室温后，打开炉膛取出石墨坩埚，即可得到含有IIIA族元素的SiC合成料；(8)使用含有IIIA族元素的SiC合成料进行SiC单晶生长。步骤(1)中，为了使Si粉和C粉完全反应生成SiC粉料，Si粉和C粉的摩尔比1：1至1.05:1。过高或高低的摩尔比会使Si粉与C粉反应不完全，导致合成的SiC粉料中含有残余的Si粉或C粉，从而影响使用此原料生长的SiC晶体的质量。步骤(2)中，为了保证IIIA族元素原子在合成的SiC晶粒中占比在1016-1018cm-3之间，IIIA族元素与C粉的摩尔比控制在10-6:1至10-4:1之间；过高或过低的摩尔比将导致合成的SiC粉料中含有的掺杂IIIA族元素浓度过高或不足，导致掺杂引入的电活性浅能级受主杂质与碳化硅中的浅能级施主杂质无法完全补偿，生长的碳化硅晶体无法实现半绝缘特性。众所周知，IIIA族元素为B、Al、Ga、In、Tl，受限于Ga、In、Tl的原子尺寸较大，不易掺杂进入晶体中；B和Al是与C、Si原子尺寸最接近的受主元素，最容易掺杂进入晶体占据晶格位置并贡献空穴，从而影响SiC晶体的电学性能，因此本专利技术所述的IIIA族元素为B或Al。步骤(3)中，将IIIA族元素的石墨容器放置在石墨坩埚底部中心的位置，以使石墨容器中盛放的IIIA族元素能够充分释放并沿温度梯度均匀的掺杂至合成的SiC粉料中。本专利技术所述的石墨容器即由石墨材料制成的容器，为本领域常用容器。步骤(5)中，炉腔内真空保持10-3Pa并保持2-5小时，以去除炉腔内的残余空气及有害杂质。过低的真空度或过短的时间会导致残余控制及有害杂质去除不完全；过高的真空度或过长的时间会造成成本上升、效率降低.步骤(6)中，保持炉腔内的压力600-800mabr，温度1900-2100℃，反应时间20-50小时，以使Si粉和C粉充分反应。过低的压力、过高的温度、过长的时间会导致反应过度，产生SiC粉料重新分解碳化等问题；过高的压力、过低的温度、过短的时间会产生反应不完全的问题。使用含有IIIA族元素的SiC合成料进行SiC单晶生长，可以采用物理气相输运法(PVT)的常规制造方案的已知条件或参数进行晶体生长，不受石墨坩埚的形状、晶体生长温度和压力、保护气氛及晶体生长速率等的影响，具体可以参考美国专利No.RE34861和专利CN197364A。本专利技术晶体生长过程中，在SiC原料中引入具有电活性的IIIA族，IIIA族元素随着SiC料的升华而释放，并参与到SiC单晶生长过程中，占据Si与C原子的晶格位置。由于掺杂引入的IIIA族电活性受主杂质直接通过与碳化硅晶体中残余的浅能级施主N相互补偿，从而降低了载流子浓度浓度，提高了晶体的电阻率。本专利技术通过在SiC合成料中控制掺杂引入的浅能级受主元素的浓度，可以很好的控制引入到晶体中的浅能级受主元素的浓度，进而可以得到电阻率可控的半绝缘SiC单晶。本专利技术不需要通过快速降温过程引入本征点缺陷，减少了SiC单晶中因温度冲击造成的内应力，降低了单晶加工的开裂风险，提高了衬底的加工质量；可以通过调节原料中掺杂的浅能级受主元素浓度来实现对SiC晶体的半绝缘特性；通过控制引入到原料中的浅能级受主杂质的浓度，可以得到电阻率可控的SiC单晶。具体实施方式实施例1一种阻碳化硅单晶的制备方法，其具体步骤为：(1)将Si粉与C粉混合均匀，备用；(2)将IIIA族元素置于石墨容器内，备用；(3)将盛放IIIA族元素的石墨容器放置在石墨坩埚底部中心的位置，然后将混合均匀的Si粉和C粉填充于石墨坩埚内，使石墨容器埋于Si粉和C粉中；(4)将石墨坩埚放置于SiC原料合成炉内后，密封炉膛；(5)将炉膛内的压力抽真空至10-3Pa并保持2h后，逐步向炉腔内通入保护气氛；(6)以40mbar/h的速率将炉膛压力提升至600mbar，同时以20℃/h的速率将炉膛内的温度提升至2000℃，在此温度下保持20h，完成原料合成过程；(7)原料合成过程结束后，停止加热炉膛，使炉膛温度自然降低至室温后，打开炉膛取出石墨坩埚，即可得到含有IIIA族元素的SiC合成料；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半绝缘碳化硅单晶的制备方法，其特征在于：其具体步骤为：(1)将Si粉与C粉混合均匀，备用；(2)将IIIA族元素置于石墨容器内，备用；(3)将盛IIIA族元素的石墨容器放置在石墨坩埚底部中心的位置，然后将混合均匀的Si粉和C粉填充于石墨坩埚内，使石墨容器埋于Si粉和C粉中；(4)将石墨坩埚放置于SiC原料合成炉内后，密封炉膛；(5)将炉膛内的压力抽真空至10

【技术特征摘要】
1.一种半绝缘碳化硅单晶的制备方法，其特征在于：其具体步骤为：(1)将Si粉与C粉混合均匀，备用；(2)将IIIA族元素置于石墨容器内，备用；(3)将盛IIIA族元素的石墨容器放置在石墨坩埚底部中心的位置，然后将混合均匀的Si粉和C粉填充于石墨坩埚内，使石墨容器埋于Si粉和C粉中；(4)将石墨坩埚放置于SiC原料合成炉内后，密封炉膛；(5)将炉膛内的压力抽真空至10-3Pa并保持2-5h后，逐步向炉腔内通入保护气氛；(6)以30-50mbar/h的速率将炉膛压力提升至600-800mbar，同时以10-20℃/h的速率将炉膛内的温度提升至1900-2100℃，在此温度下保...

【专利技术属性】
技术研发人员：高超，窦文涛，柏文文，李长进，刘家朋，宗艳民，
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