[實用新型]一種提高碳化硅單晶質量的生長坩堝

有效

• 申請號: 201720574147.0
• 申請日: 2017-05-22
• 公開（公告）號: CN207193434U
• 公開（公告）日: 2018-04-06
• 發明（設計）人: 胡小波;徐現剛;楊祥龍;陳秀芳;彭燕
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: C30B23/00
• 分類號: C30B23/00;C30B29/36
• 代理公司: 濟南金迪知識產權代理有限公司37219
• 代理人: 張宏松

技術領域

本實用新型涉及一種提高碳化硅單晶質量的生長坩堝，屬于晶體生長設備技術領域。

背景技術

碳化硅(SiC)晶體與其他諸多半導體單晶材料相比，其具有硬度高(僅次于金剛石)、熱導率高(4.9W/cm·K)、熱膨脹系數低(3.1-4.5×10^-6/K)、禁帶寬度大(2.40-3.26eV)、飽和漂移速度高(2.0-2.5×10⁷cm/s)，臨界擊穿場強大(2～3×10⁶V/cm)、化學穩定性高、抗輻射能力強等優異性能。這些優異的性能使SiC半導體器件能在高溫、高壓、強輻射的極端環境下工作，在光電子和電力電子領域具有廣闊的應用前景，并對未來半導體產業的發展產生重要影響。

生長SiC單晶的主要方法有物理氣相傳輸法、高溫化學氣相沉積法、液相法。其中，物理氣相傳輸法(Physical Vapor Transport-PVT)是目前生長SiC晶體的主流方法，即將SiC籽晶粘接在石墨坩堝蓋上，石墨坩堝內裝有作為生長原料的SiC粉末，生長過程中控制籽晶溫度在2100℃到2200℃之間，生長原料分解成氣相組分后在石墨坩堝內部軸向溫度梯度的驅動下輸運到籽晶處結晶生長SiC晶體。

目前，SiC單晶襯底已經用于制備高功率半導體照明LED、高電子遷移率晶體管、肖特基二極管、金屬氧化物半導體場效應管等半導體器件，但是器件的性能穩定性和長期工作的可靠性仍然受到SiC單晶襯底材料中結構缺陷的影響。SiC單晶中的典型結構缺陷包括：外來多型結構、碳包裹體、位錯、微管。如何降低SiC單晶中的結構缺陷，獲得具有高結構完整性的SiC單晶，對于晶體生長工作來說是一個嚴峻的挑戰，同時也是一項長期而艱苦的研究課題。

當然針對不同的結構缺陷，需要采用相應的單晶生長技術手段加以消除。在SiC單晶的結構缺陷中，碳包裹體是一種比較難以消除的結構缺陷。碳包裹體一旦在單晶中產生，在后續的晶體生長過程中往往伴隨著微管缺陷的形成，這對器件的使用有致命的影響。

碳包裹體在碳化硅單晶中的形成機理：在高溫下，SiC粉料主要分解為Si,Si₂C和SiC₂三種氣相物種，其中Si的蒸氣壓最高，這導致氣相中Si/C比超過1：1，即氣相中Si的原子數高于C的原子數。盡管在單晶生長初期，SiC粉料中的Si/C比保持平衡，隨著加熱時間的延長，Si的流失將逐漸嚴重，粉料將逐漸碳化。因此，在SiC單晶生長的中后期，粉料中的碳顆粒會隨著載氣或通過擴散，遷移到生長前沿，附著在單晶表面，并隨晶體生長留在晶體中不同厚度的位置。一般來說，越到晶體生長后期，碳包裹體密度越高。

目前物理氣相傳輸法生長SiC單晶的過程中，采用中頻感應加熱SiC粉料，因此SiC粉料內不同位置的溫度差非常大，一般靠近坩堝壁并接近坩堝底部處的粉料溫度最高，離坩堝壁越遠并靠近表面處的粉料溫度最低。因此，目前的坩堝是妨礙SiC晶體質量提高的一大難題。

實用新型內容

針對現有技術的不足，本實用新型提供一種提高碳化硅單晶質量的生長坩堝，該坩堝結構簡單，在碳化硅單晶生長過程中，由于SiC粉料靠近坩堝壁的部分溫度最高，碳化最為嚴重，本實用新型的內坩堝將處于高溫位置容易碳化的SiC粉料封閉于內坩堝的內壁與外壁之間的夾層中，使粉碳化后的微小碳顆粒不能輸運到籽晶表面，大大減少SiC單晶中的碳包裹體，提高了碳化硅單晶質量。

本實用新型的技術方案如下：

一種提高碳化硅單晶質量的生長坩堝，包括外坩堝，外坩堝端口設置有密封外坩堝的坩堝蓋，其特征在于，在外坩堝內設置有內坩堝，所述的內坩堝包括底壁和側壁，側壁為雙層側壁，雙層側壁包括內壁和外壁，內壁上設置有貫穿內壁的小孔，底壁設置在內壁與外壁之間的底部，內壁圍成的腔室為上下中空結構，雙層側壁上端口設置有密封內壁與外壁之間夾層的環形端蓋。

根據本實用新型優選的，內坩堝的高度為外坩堝內腔垂直高度的1/2-2/3，優選的，內坩堝的高度為外坩堝內腔垂直高度的2/3。

根據本實用新型優選的，內坩堝的外壁與外坩堝的內側壁緊貼，間距小于0.5mm；內坩堝的底部與外坩堝的底部緊貼。

根據本實用新型優選的，內壁上小孔的直徑為8-12mm，小孔之間的間距為20-35mm；優選的，內壁上小孔的直徑為10-12mm，小孔之間的間距為20-30mm。

根據本實用新型優選的，所述的內壁、外壁均呈圓柱形，所述的內壁與外壁之間的間距為15-25mm，優選的，內壁與外壁之間的間距為18-22mm。