掺杂少量钒的高质量半绝缘碳化硅单晶及衬底的制备方法技术

本申请公开了一种掺杂少量钒的高质量半绝缘碳化硅单晶及衬底的制备方法，属于半导体材料领域。该半绝缘碳化硅单晶的制备方法包括下述步骤：对热场装置除杂、混料、长晶和退火处理。该半绝缘碳化硅单晶的制备方法的技术成本和资金成本低。制备的碳化硅单晶的电阻率由残余的浅能级杂质和少量的钒元素决定，由于这些杂质都占据晶格位置，其具有很高的热稳定性，这也就意味着晶体可以获得具有高度稳定的电阻率。并且由碳化硅单晶制备的碳化硅单晶衬底具有高的电阻率均匀性、低应力，使得碳化硅单晶衬底具有优异的面型质量，从而保证了后续外延过程中衬底质量的稳定性和一致性。

Preparation of High Quality Semi-Insulated Silicon Carbide Single Crystals and Substrates Doped with a Small Amount of Vanadium

The present application discloses a preparation method of high quality semi-insulating silicon carbide single crystal and substrate doped with a small amount of vanadium, belonging to the field of semiconductor materials. The preparation method of the semi-insulating silicon carbide single crystal includes the following steps: impurity removal, mixing, crystallization and annealing treatment of the thermal field device. The preparation method of semi-insulating silicon carbide single crystal has low technical cost and capital cost. The resistivity of silicon carbide single crystals is determined by the residual shallow level impurities and a small amount of vanadium. Because these impurities occupy the lattice position, they have high thermal stability, which means that the crystals can obtain high stable resistivity. Moreover, the silicon carbide single crystal substrates prepared from silicon carbide single crystal have high resistivity uniformity and low stress, which make the silicon carbide single crystal substrates have excellent surface quality, thus ensuring the stability and consistency of the substrate quality in the subsequent epitaxy process.

【技术实现步骤摘要】
掺杂少量钒的高质量半绝缘碳化硅单晶及衬底的制备方法
本申请涉及一种掺杂少量钒的高质量半绝缘碳化硅单晶及衬底的制备方法，属于半导体材料领域。
技术介绍
半绝缘碳化硅(SiC)单晶衬底由于具有禁带宽度大、电阻率及热导率高、击穿场强大等优异的物理性能而成为制备GaN基高频微波器件的优选半导体材料。随着5G技术的不断发展，市场端对半绝缘碳化硅单晶衬底的需求数量不断扩大，更重要的，批量商业化的应用对碳化硅半绝缘单晶衬底的质量要求也提出了更高的要求。目前已经产业化的半绝缘碳化硅单晶制备是在物理气相法(PVT)的基础上，通过引入高浓度的钒杂质作为深能级补偿中心实现半绝缘特性，由此制备的碳化硅单晶称为掺杂半绝缘碳化硅单晶；或者通过在晶体制备过程中不断降低晶体中的浅能级杂质浓度并引入一定数量的本征点缺陷实现其半绝缘特性，由此制备的碳化硅单晶称为高纯半绝缘碳化硅单晶。掺杂半绝缘碳化硅单晶在制备过程中由于有高浓度钒引入，容易在晶体中形成钒的沉淀物并诱生微管缺陷，降低晶体质量；此外，研究表明高浓度的钒在器件中作为电子俘获中心，会引起背栅效应，降低甚至破坏器件性能。因此，随着衬底制备技术和器件制备技术的发展，高纯半绝缘碳化硅单晶衬底逐渐成为主流。高纯半绝缘碳化硅单晶中较低的浅能级杂质能够降低晶体中的有效载流子浓度，同时通过引入的特定数量的本征点缺陷将费米能级钉扎在禁带中心，从而实现晶体的半绝缘特性。然而，本征点缺陷在晶体中具有较高的迁移速率，在一定温度下(如GaN外延层制备的温度条件下)会发生迁移扩散并湮灭，这会引起衬底电阻率的不稳定性，同样对器件性能的稳定性造成影响。掺杂半绝缘碳化硅单晶中钒浓度[V]通常为1×1017～1×1018cm-3，相应的氮浓度[N]高于1017cm-3量级，其制备过程中的高浓度钒掺杂具有较高的技术壁垒，且制备晶体中易形成含大量缺陷和不可控的浅能级杂质浓度，造成晶体质量不可控。高纯半绝缘碳化硅单晶中[N]为1015cm-3量级，相应的点缺陷浓度为1×1015cm-3量级及以上，其制备过程中的氮等浅能级杂质浓度去除需要较高的技术成本和资金成本。
技术实现思路
为了解决上述问题，本申请提供了一种掺杂少量钒的高质量半绝缘碳化硅单晶及衬底的制备方法。该制备方法的技术成本和资金成本低，且制备的碳化硅单晶具有更高电阻率稳定性，和不存在高浓度掺杂钒在器件中引起的背栅效应；制备的碳化硅单晶衬底的电阻率均匀、内部应力极小，保证了后续外延过程中碳化硅单晶衬底质量的稳定性和一致性。该掺杂少量钒的高质量半绝缘碳化硅单晶的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：1)热场装置除杂；2)混料：将深能级掺杂剂掺杂于碳化硅粉料中；3)长晶：将步骤2)制得的掺杂深能级掺杂剂的碳化硅粉置于经步骤1)处理的热场装置后，开始长晶，长晶结束后的深能级掺杂中心元素的浓度为5×1015-1×1017cm-3；4)退火：将经过步骤3)处理的碳化硅单晶初品进行退火处理，即制得所述的碳化硅单晶。可选地，所述半绝缘碳化硅单晶包含浅能级杂质、深能级掺杂剂和少量本征点缺陷，所述深能级掺杂剂与所述本征点缺陷共同补偿浅能级杂质，所述深能级掺杂剂的浓度小于掺杂半绝缘碳化硅单晶中深能级掺杂剂的浓度，所述本征点缺陷的浓度室温下不高于1×1015cm-3，不会影响碳化硅晶体电学性能稳定性。所述本征点缺陷的浓度室温下不高于1×1014cm-3，不会影响碳化硅晶体电学性能稳定性。可选地，所述浅能级杂质的浓度之和低于1×1017cm-3，所述深能级掺杂剂的浓度低于1×1017cm-3，所述本征点缺陷的浓度在室温下不高于1×1015cm-31×1014cm-3。可选地，所述浅能级杂质的浓度之和高于1×1015cm-3，所述深能级掺杂剂的浓度为5×1015～1×1017cm-3，所述本征点缺陷室温下的浓度不高于1×1014cm-3。进一步地，所述浅能级杂质的浓度之和大于1×1015cm-3，所述深能级掺杂剂的浓度为5×1015～1×1017cm-3，所述本征点缺陷室温下的浓度小于1×1014cm-3。优选地，所述浅能级杂质的浓度不低于5×1015cm-3。进一步地，所述浅能级杂质的浓度之和大于5×1015cm-3。更优选地，所述浅能级杂质的浓度不低于1×1016cm-3。进一步地，所述浅能级杂质的浓度之和大于1×1016cm-3。优选地，所述深能级掺杂剂的浓度为1×1016cm-3～5×1016cm-3。优选地，所述本征点缺陷浓度不高于室温下本征点缺陷的原生浓度。本申请中所述的本征点缺陷的原生浓度为生长碳化硅单晶过程中自热形成的本征点缺陷的浓度，不包括在碳化硅单晶后续处理时引入的本征点缺陷浓度。优选地，所述浅能级杂质包括IIIA和VA主族元素中的一种或多种。进一步地，所述浅能级杂质包括氮、硼和铝中的一种或多种。优选地，所述浅能级杂质包括氮、硼和铝。可选地，所述深能级掺杂剂选自元素周期表中的ⅤB族元素中的至少一种。优选地，所述深能级掺杂剂为钒元素。可选地，所述热场装置包括石墨保温结构和石墨坩埚。进一步地，所述石墨保温结构为石墨保温毡。优选地，所述步骤1)的热场装置除杂包括：将碳化硅粉料放置在石墨坩埚后，在温度1800-2500℃、压力5-50mbar下保持20-100h。进一步地，所述步骤1)的热场装置除杂包括：将碳化硅粉料放置在石墨坩埚后，在温度2200-2400℃、压力20-30mbar下保持50-100h。可选地，所述步骤2)的混料中的深能级掺杂剂元素的浓度为1×1016cm-3～1×1017cm-3。进一步地，所述步骤2)的混料中的深能级掺杂剂的浓度为2×1016cm-3～5×1016cm-3。可选地，所述步骤3)中的长晶步骤包括：高温预处理阶段和长晶阶段；所述高温预处理阶段的条件为：温度1200℃-2000℃，压力800-1000mbar，保持时间5-50h；所述长晶阶段的条件为：以10-50℃/min的速率提高至2200℃以上的温度，同时将压力降至5-50mbar。该长晶方法使得石墨坩埚内的少量钒掺杂碳化硅粉料充分升华。进一步地，所述步骤3)中的长晶步骤包括：高温预处理阶段和长晶阶段；所述高温预处理阶段的条件为：在温度1800℃-2000℃和压力800-900mbar下保持时间30-50h；所述长晶阶段的条件为：以10-30℃/min的速率提高至2200℃以上的温度，同时将压力降至5-50mbar。可选地，所述步骤4)的退火处理条件为：将步骤3)的碳化硅单晶产品置于退火炉中，在1800-2200℃温度下保持10-50h。进一步地，所述步骤4)的退火处理条件为：将步骤3)的碳化硅单晶产品置于退火炉中，在2000-2200℃温度下保持30-50h。可选地，所述碳化硅单晶在900-1200℃温度保持0.5-10h之后的电阻率均值变化值小于55％。优选地，所述碳化硅单晶在900-1200℃温度保持0.5-10h后的电阻率均值变化值小于50％；进一步地，所述碳化硅单晶在900-1200℃温度保持0.5-10h后的电阻率均值变化值小于30％。本申请中的“不高于”、“不低于”、“高于”和“低于”包含端点值。根据本申请的另一方面，提供了一种半绝缘碳化硅单晶，其特征在于，由上述任一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种掺杂少量钒的高质量半绝缘碳化硅单晶的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：1)热场装置除杂；2)混料：将一定量的深能级掺杂剂掺杂于碳化硅粉料中；3)长晶：将步骤2)制得的掺杂深能级掺杂剂的碳化硅粉置于经步骤1)处理的热场装置后，开始长晶，长晶结束后的深能级掺杂中心元素的浓度为5×1015cm‑3～1×1017cm‑3；4)退火：将经过步骤3)处理的碳化硅单晶初品进行退火处理，即制得所述的半绝缘碳化硅单晶。

【技术特征摘要】
1.一种掺杂少量钒的高质量半绝缘碳化硅单晶的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：1)热场装置除杂；2)混料：将一定量的深能级掺杂剂掺杂于碳化硅粉料中；3)长晶：将步骤2)制得的掺杂深能级掺杂剂的碳化硅粉置于经步骤1)处理的热场装置后，开始长晶，长晶结束后的深能级掺杂中心元素的浓度为5×1015cm-3～1×1017cm-3；4)退火：将经过步骤3)处理的碳化硅单晶初品进行退火处理，即制得所述的半绝缘碳化硅单晶。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述半绝缘碳化硅单晶包含浅能级杂质、深能级掺杂剂和少量本征点缺陷，所述深能级掺杂剂与所述本征点缺陷共同补偿浅能级杂质，所述深能级掺杂剂的浓度小于掺杂半绝缘碳化硅单晶中深能级掺杂剂的浓度，所述本征点缺陷的浓度室温下不高于1×1015cm-3，不会影响碳化硅晶体电学性能稳定性。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述浅能级杂质的浓度之和低于1×1017cm-3，所述深能级掺杂剂的浓度低于1×1017cm-3，所述本征点缺陷的浓度在室温下不高于1×1014cm-3；优选地，所述浅能级杂质包括元素周期表中的IIIA和VA主族元素中的一种或多种。4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述深能级掺杂剂选自元素周期表中的ⅤB族元素中的至少一种；优选地，所述深能级掺杂剂为钒元素。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：高超，刘家朋，李加林，李长进，柏文文，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