一种重掺杂p型SiC单晶及其生长方法和应用技术

本发明专利技术属于半导体技术领域，具体涉及一种重掺杂p型SiC单晶及其生长方法和应用。本发明专利技术利用铝、氮元素构成的化合物或固溶体作为一类掺杂源和其它p型掺杂源作为二类掺杂源来进行Al

【技术实现步骤摘要】
一种重掺杂p型SiC单晶及其生长方法和应用


[0001]本专利技术属于半导体
，具体涉及一种重掺杂p型SiC单晶及其生长方法和应用。

技术介绍

[0002]公开该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
[0003]碳化硅(SiC)作为第三代半导体材料的典型代表，具有禁带宽度大、载流子迁移率高、临界击穿电场强高、热导率高等优异的物理性能，非常适合制备高温、高频、大功率半导体器件。碳化硅器件在航空、航天探测、新能源汽车、5G通信、电网传输、光伏发电等领域有着重要的应用。SiC基绝缘栅双极型晶体管(IGBT，Insulated
‑
Gate
‑
Bipolar
‑
Transistor)是由双极型三极管(BJT)和绝缘栅型场效应管(MOS)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，具有高输入阻抗和低导通压降的特点，在高压环境下导通损耗较小，是未来制备大功率电力电子器件的衬底材料发展的重点。其中p型SiC衬底是制备n沟道IGBT的基础材料，然而受限于目前的掺杂技术，p型SiC晶体仍存在晶型稳定性差、电阻率偏高等问题。
[0004]利用PVT生长装置生长p型SiC主要的p型掺杂元素有Al、B等。由于Al原子在4H
‑
SiC中的电离能约190meV，在6H
‑
SiC中的电离能约240
‑
290meV，是目前在SiC禁带中引入受主能级最浅的元素，使Al元素成为目前制备p型SiC的首选掺杂元素。然而相比于施主N原子在SiC中的电离能84
‑
125meV，Al原子在SiC中的电离率较低。通过重掺杂Al原子(>7
×
10
19
cm
‑3)可以在SiC禁带中实现受主能级杂化，降低受主的能级位置，达到降低Al原子电离能的目的。因此目前制备低电阻率p型SiC一般是通过重掺杂实现。然而Al原子在SiC晶胞中占据Si格点，Al、Si原子共价键半径分别为126pm、117ppm，在SiC单晶重掺杂Al元素会引起SiC晶胞膨胀。由于SiC不同晶型间的堆垛层错能低，因此重掺杂p型SiC单晶很容易产生异质多型，导致晶体质量下降。
[0005]中国专利CN106894090B公布了一种高质量低电阻率p型SiC单晶的制备方法。该方法通过在SiC粉料中掺杂B源、Al源生长低电阻率p型SiC单晶。该方法利用了B、Al原子均在SiC中占据Si原子位置，但B原子的半径比Si原子小，而Al原子的半径比Si原子大，通过优选特定B、Al的掺杂浓度，可保持p型SiC单晶的晶型稳定性和质量。然而B源在SiC中掺杂为无限源、且蒸汽压低，Al在SiC中掺杂为有限源、蒸汽压高，两种掺杂源的热力学性质不同，因此在同一温场中释放匹配度难以精准控制；此外B源在SiC单晶会引入深能级“D
‑
Center”，该能级位于价带顶600meV左右，会俘获受主元素电离出的空穴，不利于降低p型电阻率。
[0006]通过在p型SiC单晶生长过程中掺杂N元素，可以生长单一晶型的重掺杂p型SiC单晶。该方法中利用了N原子占据C格点会引起SiC晶胞收缩，可以补偿Al掺杂引起的晶格膨胀从而达到维持重掺杂p型SiC单晶晶型稳定性的目的。但由于N在SiC中引入施主能级，因此需要精准控制其掺杂含量：N掺杂量过低达不到维持晶胞参数的目的，N掺杂量过高则使得
SiC导电类型转变为n型导电。现阶段生长Al
‑
N双掺杂p型SiC单晶，一般在其生长过程中采用气体质量流量计精确控制N2流量实现N原子的掺入量，而常见的Al掺杂源为Al、Al4C3、Al2O3等固态物质，无适合物理气相传输法相应的气态掺杂源。Al固态掺杂源的熔沸点远低于SiC单晶生长温度，其释放受温场影响较大。因此Al源与N源的相匹配释放难点在于如何控制Al源的释放，使其与N掺杂实现同步。目前一般采用双线圈加热方式实现Al
‑
N同步释放。具体是将熔沸点较低的Al化合物放置在较低温度的加热区内高温气化，将SiC粉料放置在高温的加热区，来达到生长过程均匀Al掺入以使其与N同步掺杂的目的。此方法中需要设备配置两个独立的加热系统，对SiC粉料区和掺杂源区进行单独加热，以此实现两者之间的不同温度。此方法中对加热系统的配置较高，需要两个控制器分别控制感应线圈；同时在单晶生长过程中极易出现温度梯度驱动下导致的“生长组分倒流”现象，使晶体向低温的Al源区逆向生长，这均不利于p型SiC单晶的生长。

技术实现思路

[0007]为了解决现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种重掺杂p型SiC单晶及其生长方法和应用。本专利技术利用铝、氮元素构成的化合物或固溶体作为一类掺杂源和其它p型掺杂源作为二类掺杂源来进行Al
‑
N共掺。进一步的，在SiC粉料区中放置AlN材料作为一类掺杂源，使其分解时提供相同摩尔比的Al原子和N原子，进而实现N源与Al源同步释放，起到维持重掺杂晶体的单一晶型；放置Al4C3、Al2O3、Al等作为二类掺杂源，来提供额外的Al元素来实现n[Al]:n[N]在1.2～3.0的范围内，保证生长的晶体是单一晶型的p型SiC。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术是通过如下的技术方案来实现：
[0009]第一方面，本专利技术提供了一种重掺杂p型SiC单晶的生长方法，包括以下步骤：
[0010]S1、将SiC粉料放置到生长坩埚底部的SiC粉料放置区；将一类掺杂源和二类掺杂源混合后放置在SiC粉料的中心或边缘，混合后的掺杂源中铝原子和氮原子的摩尔比为1.2～3:1；将SiC籽晶放置在坩埚顶部，拧紧坩埚上盖；
[0011]S2、将坩埚置于单晶生长炉中，生长室抽真空；开启加热电源，通入保护气体，进行单晶生长；生长结束后通入保护气体至大气压，降温至室温，得到重掺杂p型SiC单晶。
[0012]第二方面，本专利技术提供了一种重掺杂p型SiC单晶，通过第一方面所述的生长方法获得。
[0013]第三方面，本专利技术提供了第二方面所述的重掺杂p型SiC单晶在航空、航天探测、新能源汽车、5G通信、智能电网、光伏发电、大功率电力电子器件领域中的应用。
[0014]上述本专利技术的一种或多种技术方案取得的有益效果如下：
[0015](1)本专利技术中的重掺杂p型SiC单晶生长方法，通过使用AlN等作为一类掺杂源，有效避免了现有技术Al源和N源在SiC单晶生长过程中难以同步精准控制掺杂问题，巧妙地利用高温状态下AlN可以同时分解出等摩尔比的Al原子和N原子，可以保证SiC单晶生长腔室内存在等量的Al原子和N原子分解，进而有效维持重掺杂SiC单晶的晶型稳定性。
[0016](2)本专利技术中的重掺杂p型SiC单晶生长方法，通过额外加入Al、Al4C3、Al2O3等二类掺杂源，使得Al源和N本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种重掺杂p型SiC单晶的生长方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将SiC粉料放置到生长坩埚底部的SiC粉料放置区；将一类掺杂源和二类掺杂源混合后放置在SiC粉料的中心或边缘，混合后的掺杂源中铝原子和氮原子的摩尔比为1.2～3:1；将SiC籽晶放置在坩埚顶部，拧紧坩埚上盖；S2、将坩埚置于单晶生长炉中，生长室抽真空；开启加热电源，通入保护气体，进行单晶生长；生长结束后通入保护气体至大气压，降温至室温，得到重掺杂p型SiC单晶。2.如权利要求1所述的生长方法，其特征在于，所述一类掺杂源为铝、氮元素组成的化合物或固溶体一种或多种，所述二类掺杂源包括p型元素的单质和氧化物、硅化物、碳化物中的一种或多种。3.如权利要求1所述的生长方法，其特征在于，所述一类掺杂源为AlN，所述AlN的粒径为3
‑
20mm。4.如权利要求1所述的生长方法，其特征在于，步骤S1中，当一类掺杂源的粒径为10
‑
20mm，将混合后的掺杂源放置在粉料边缘来促进分解；当一类掺杂源的粒径在3
‑
10mm且小于10mm时，将混合后的掺杂源放置在SiC粉料中心，保证稳定释放。5.如权利要求2所述的生长方法，其特征在于，所述二类掺杂源为Al元素的单质和Al元素的氧化物、硅化物、碳化物的一种或多种。6.如权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢雪健，仲光磊，陈秀芳，徐现刚，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：