[發(fā)明專利]一種摻鍺SiC體單晶材料的生長(zhǎng)方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610045504.4
• 申請(qǐng)日: 2016-01-22
• 公開（公告）號(hào): CN105568385A
• 公開（公告）日: 2016-05-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳秀芳;張福生;徐現(xiàn)剛;胡小波
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 山東大學(xué)
• 主分類號(hào): C30B29/36
• 分類號(hào): C30B29/36;C30B23/02
• 代理公司: 濟(jì)南金迪知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37219
• 代理人: 張宏松

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種高質(zhì)量摻鍺SiC體單晶材料的生長(zhǎng)方法，屬于人工晶體材料技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

作為第三代半導(dǎo)體材料，碳化硅(SiC)單晶材料具有寬帶隙、高臨界擊穿電場(chǎng)、高熱導(dǎo) 率、低介電常數(shù)、高載流子飽和濃度等特點(diǎn)，已成為耐高溫、大功率、耐高壓、抗輻照的半 導(dǎo)體器件的優(yōu)選材料，可以滿足現(xiàn)代電子器件對(duì)高溫、高頻、高壓、高功率以及抗輻射的新 要求，是目前半導(dǎo)體材料領(lǐng)域最有前景的材料之一，可應(yīng)用于照明、航空、航天探測(cè)、核能 探測(cè)及開發(fā)、衛(wèi)星、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)等高溫及抗輻射領(lǐng)域。

目前，SiC晶體材料在應(yīng)用方面仍然存在一些不足之處，例如：1、作為襯底外延GaN等 氮化物時(shí)，由于失配度過(guò)大而產(chǎn)生大量缺陷；2、用于制作電力電子器件時(shí)需要的厚膜生長(zhǎng)困 難；3、作為光學(xué)元件時(shí)，因?yàn)榻麕挾容^大對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)不夠敏感而無(wú)法應(yīng)用于可見光和紅外光 的探測(cè)等。隨著對(duì)SiC晶體材料研究的深入，發(fā)現(xiàn)不同元素的摻雜對(duì)晶體的性能有很大的影 響。通過(guò)理論模擬，表明了在SiC中摻入中性雜質(zhì)，既不會(huì)改變SiC單晶材料的極性，又可 以調(diào)整單晶的晶格常數(shù)和能帶結(jié)構(gòu)。US20070023761A1公開了一種碳化硅薄膜襯底上生長(zhǎng)摻 鍺SiC薄膜的方法，該專利中提到鍺元素的摻入可以增加晶格常數(shù)，從而降低外延層的應(yīng)力 而提高其質(zhì)量。在SiC材料中摻入鍺元素會(huì)改變其能帶結(jié)構(gòu)，降低其禁帶寬度。這將拓展SiC 晶體材料在可見光和紅外光波段的應(yīng)用領(lǐng)域。

近年來(lái)，多種技術(shù)如離子注入法、化學(xué)氣相沉積法(CVD)等均達(dá)到了SiC摻鍺的目的， 但是均存在不同的缺陷，從而無(wú)法得到真正的摻鍺SiC體單晶材料。離子注入法注入深度有 限且注入層原子結(jié)構(gòu)損傷嚴(yán)重；CVD方法只能外延一層薄膜材料，生長(zhǎng)速率較慢，不能獲得 厚的體材料。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種高質(zhì)量摻鍺SiC體單晶材料的生長(zhǎng)方法。本發(fā)明 采用升華法，通過(guò)分析其熱力學(xué)和分子輸運(yùn)動(dòng)力學(xué)特征，生長(zhǎng)過(guò)程中，將鍺元素分別放在高 溫區(qū)和低溫區(qū)，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)晶體生長(zhǎng)過(guò)程的均勻摻雜，從而控制了生長(zhǎng)初期鍺的高蒸汽壓， 防止了鍺原子在生長(zhǎng)面的團(tuán)聚，降低了晶體的缺陷和內(nèi)應(yīng)力；控制其徑向和軸向的均勻性， 得到了高質(zhì)量的摻鍺SiC體單晶材料。

術(shù)語(yǔ)說(shuō)明：

摻鍺SiC單晶：指在在SiC生長(zhǎng)中加入鍺元素而形成的三元合金化合物單晶。

純金屬鍺粉：指純度在99.999％或以上的具有金屬性質(zhì)的鍺粉，粒度在200-300目之間。

高溫區(qū)：坩堝粉料區(qū)域中，最高溫度分布的區(qū)域，在該區(qū)域，粉源優(yōu)先分解并升華，剩 料少且松散。

低溫區(qū)：坩堝粉料區(qū)域中，最低溫度分布的區(qū)域，在該區(qū)域，粉源分解、升華并在此區(qū) 域重結(jié)晶，剩料結(jié)實(shí)、顆粒大。

升華法：將作為生長(zhǎng)源的SiC粉料置于石墨坩堝底部，籽晶固定在石墨坩堝頂部，通過(guò) 對(duì)石墨坩堝進(jìn)行加熱，并調(diào)節(jié)坩堝與線圈的相對(duì)位置使生長(zhǎng)源的溫度高于籽晶的溫度，生長(zhǎng) 源在高溫下升華分解成氣態(tài)物質(zhì)，在生長(zhǎng)源與籽晶之間形成的溫度梯度的驅(qū)動(dòng)下，氣態(tài)物質(zhì) 被輸運(yùn)到低溫的籽晶表面，并結(jié)晶長(zhǎng)成SiC晶體。

平溫度場(chǎng)：籽晶區(qū)域生長(zhǎng)平面上徑向溫差較小。

本發(fā)明的技術(shù)方案：

一種摻鍺SiC體單晶材料的生長(zhǎng)方法，該方法在高溫單晶生長(zhǎng)爐中采用升華法生長(zhǎng)摻鍺 SiC單晶，具體生長(zhǎng)步驟如下：

(1)調(diào)整坩堝與感應(yīng)線圈的相對(duì)位置，使坩堝底部處于感應(yīng)線圈的中心位置，從而使坩 堝頂部獲得平的溫度場(chǎng)；

(2)將SiC粉源置于坩堝內(nèi)，將籽晶固定在坩堝頂部，蓋上坩堝蓋置于單晶生長(zhǎng)爐的生 長(zhǎng)腔內(nèi)；

(3)將單晶生長(zhǎng)爐的生長(zhǎng)腔抽真空，使真空度達(dá)到10^-5Pa～10^-2Pa，采用感應(yīng)加熱方式對(duì) 生長(zhǎng)腔加熱進(jìn)行晶體生長(zhǎng)，同時(shí)對(duì)生長(zhǎng)腔頂部進(jìn)行測(cè)溫，頂部溫度控制在1900-2200℃，軸向 溫度梯度控制在0-30℃/cm，晶體生長(zhǎng)過(guò)程中充入氬氣作為載氣；

(4)生長(zhǎng)完成后，根據(jù)坩堝內(nèi)底部殘留的剩料形狀，確定高溫區(qū)和低溫區(qū)的位置；

(5)按照步驟(2)的方式重新裝料，將摻雜劑分別放置在對(duì)應(yīng)的高溫區(qū)和低溫區(qū)位置， 按照步驟(3)的條件進(jìn)行生長(zhǎng)晶體；

(6)在晶體生長(zhǎng)結(jié)束后，逐漸降溫至室溫，得到高質(zhì)量摻鍺SiC單晶。