[發明專利]一種制備高純半絕緣碳化硅晶體的方法

有效

• 申請號: 200910238110.0
• 申請日: 2009-11-18
• 公開（公告）號: CN101724893A
• 公開（公告）日: 2010-06-09
• 發明（設計）人: 陳小龍;劉春俊;王波;彭同華;鮑慧強;王文軍;王皖燕;王剛;李龍遠
• 申請（專利權）人: 中國科學院物理研究所;北京天科合達藍光半導體有限公司
• 主分類號: C30B23/00
• 分類號: C30B23/00;C30B29/36
• 代理公司: 北京中創陽光知識產權代理有限責任公司 11003
• 代理人: 尹振啟

技術領域

本發明涉及碳化硅晶體制備方法領域，特別涉及一種制備高純半絕 緣碳化硅晶體的方法，該方法在沒有摻雜深能級補償元素的情況下生長 高純半絕緣碳化硅晶體。

背景技術

以碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)為代表的寬禁帶半導體材料，是繼 硅(Si)、砷化鎵(GaAs)之后的第三代半導體。與Si和GaAs傳統半導 體材料相比，SiC具有高熱導率、高擊穿場強、高飽和電子漂移速率和高 鍵合能等優異性能，在高溫、高頻、高功率及抗輻射器件方面擁有巨大 的應用前景。半絕緣碳化硅制備的晶體管能夠在高達10GHz頻率下產生 超過GaAs微波部件五倍功率密度的功率。熟悉微波器件技術的人認識到， 在使用高電阻率和高結晶質量半絕緣的碳化硅襯底的情況下才能制備出 高性能的微波器件，才能夠應用于如蜂窩電話的通信器件以及強大的機 載雷達、艦載雷達等應用領域。

SiC晶體制備的方法主要為物理氣相傳輸法(Physical?Vapor Transport?Method)。將坩堝內的溫度升至2000～2300℃，使得SiC原料 3升華，升華產生氣相Si₂C、SiC₂和Si，將籽晶5置于比SiC原料3溫度 低的坩堝上部，升華所產生的氣相在溫度梯度的作用下從原料的表面傳 輸到溫度較低的籽晶處，并在籽晶上結晶形成塊狀晶體。

目前主要通過在SiC帶隙內形成深能級，通過深能級補償非故意摻 雜形成的淺施主和淺受主濃度之差值的方式來提高碳化硅晶體的電阻 率。形成深能級的方法有：(1)加入金屬摻雜劑，特別是釩，來形成深 能級補償淺能級雜質；(2)通過形成本征點缺陷等相關深能級補償淺能 級雜質。然而，通過在晶體中引入釩作為深摻雜能級，會影響微波器件 的性能。為了消除上述影響，通常會引入晶體的二次退火，但是二次退 火所能夠增加的晶體點缺陷濃度較小，并且生產效率較低，不適應于較 大規模的碳化硅晶體生產需求。

發明內容

針對現有技術存在的問題，本發明的目的在于提供一種制備無摻雜 的高純半絕緣碳化硅晶體的方法，具體說就是通過物理氣相傳輸法 (Physical?Vapor?Transport?Method)制備無深能級補償元素摻雜的高 純半絕緣SiC晶體，并確保其在隨后的使用過程中保持半絕緣性能。除 了提高晶體的電阻率外，本發明進一步的優點是減少晶體微管數量。

為實現上述目的，本發明一種制備高純半絕緣碳化硅晶體的方法， 該方法在沒有摻雜深能級補償元素的情況下生長高純半絕緣碳化硅晶 體，該方法包括：

使用物理氣相傳輸法生長碳化硅晶體，在生長中使碳化硅晶體在非 熱力學平衡狀態下結晶生長，并且使碳化硅晶體的結晶速度達到或接近 臨界速度，從而在碳化硅晶體中生成比熱力學平衡條件下結晶碳化硅晶 體更高的原生點缺陷濃度；并且

將生長結束的碳化硅晶體冷卻到1000℃-1500℃范圍內，以保留碳化 硅晶體生長過程中形成的原生點缺陷，從而獲得半絕緣碳化硅晶體，其 中半絕緣碳化硅晶體的原生點缺陷濃度高于碳化硅晶體中的非故意摻雜 形成的淺施主和淺受主濃度之差。

進一步，所述臨界速度的范圍為0.6mm/h-4mm/h。

進一步，所述原生點缺陷為空位、空位集團和/或反位。

進一步，所述半絕緣碳化硅晶體的晶型包括3C、4H、6H和/或15R。

進一步，所述生長結束的碳化硅晶體在5分鐘～120分鐘時間內快速 冷卻到1000℃-1500℃范圍內。

進一步，所述碳化硅晶體在非熱力學平衡狀態下結晶生長的方法包 括降低碳化硅晶體生長界面處的結晶溫度、提高碳化硅原料處的溫度、 和/或降低生長室內壓力。

進一步，所述降低碳化硅晶體生長界面處的結晶溫度至1800-2200℃ 范圍內、提高碳化硅原料處的溫度至2300-2600℃范圍內、和/或降低生 長室內壓力至0.01-500Pa范圍內。

進一步，將所述生長結束的碳化硅晶體快速冷卻包括采用以下方式： 關閉加熱器、充入流動氣體、移除保溫材料、和/或將晶體由高溫區移至 低溫區。