[發明專利]一種用于生長接近平衡態SiC單晶的坩堝及SiC單晶的生長方法

有效

• 申請號: 201910316104.6
• 申請日: 2019-04-19
• 公開（公告）號: CN109943887B
• 公開（公告）日: 2021-09-24
• 發明（設計）人: 胡小波;徐現剛;陳秀芳;彭燕;楊祥龍
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: C30B23/06
• 分類號: C30B23/06;C30B29/36
• 代理公司: 濟南金迪知識產權代理有限公司 37219
• 代理人: 陳桂玲

本發明涉及一種用于生長接近平衡態SiC單晶的坩堝及SiC單晶的生長方法。該坩堝包括外坩堝和內坩堝；所述外坩堝為發熱體，內坩堝為生長坩堝；所述外坩堝和內坩堝之間的間距為5～10mm。本發明提供的一種用于生長接近平衡態SiC單晶的坩堝，將發熱體與生長坩堝分開，外坩堝起發熱體的作用，內坩堝為生長坩堝，外坩堝的熱量主要通過輻射方式傳輸到內坩堝中，內坩堝具有徑向溫度梯度和軸向溫度梯度小的特點，采用新型坩堝，單晶生長在接近平衡態的條件下進行，因此生長的單晶缺陷密度低，適合于培養高質量SiC單晶。

技術領域

本發明涉及一種用于生長接近平衡態SiC單晶的坩堝及SiC單晶的生長方法，屬于晶體生長技術領域。

背景技術

碳化硅(SiC)半導體又稱寬禁帶半導體或第三代半導體，與第一代半導體Si和第二代半導體GaAs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)、飽和電子漂移速度高(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，在電力電子和微波通信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單晶的主要方法包括物理氣相傳輸法、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，生長過程中籽晶溫度控制在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襯底材料中結構缺陷的影響。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。

根據單晶生長過程中缺陷的形成機理，籽晶中的缺陷容易遺傳到新生長的單晶中。因此在晶體生長過程中，通常生長的單晶質量一般比籽晶的質量要差。而為避免生長的單晶一代比一代劣化，需要優化坩堝和溫度場設計，培養高質量籽晶，使籽晶質量一代比一代更加完美。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明提供一種用于生長接近平衡態SiC單晶的坩堝。傳統的SiC單晶生長的普通坩堝，坩堝本身具有雙重功能，即具有發熱體的功能和生長坩堝的功能。本發明的新型坩堝，將發熱體與生長坩堝分開，外坩堝起發熱體的作用，內坩堝為生長坩堝。

本發明還提供一種利用上述新型坩堝進行高質量SiC單晶的生長方法。

術語說明：

接近平衡態：在晶體生長過程中，氣相處于飽和狀態，籽晶既不生長也不分解，為平衡態；氣相處于略飽和狀態，籽晶處于非常緩慢的生長狀態，籽晶的生長速度為50～100μm/hr(50～100微米/小時)，為接近平衡態。

本發明的技術方案如下：

一種用于生長接近平衡態SiC單晶的坩堝，包括外坩堝和內坩堝；所述外坩堝為發熱體，內坩堝為生長坩堝；所述外坩堝和內坩堝之間的間距為5～10mm。

根據本發明優選的，所述外坩堝包括均為石墨材質的外坩堝體和外坩堝蓋；其中，所述外坩堝體的上端均勻分布4～10個螺孔，所述外坩堝蓋相應均勻分布4～10個通孔，石墨螺釘貫穿螺孔、通孔將外坩堝體與外坩堝蓋密封連接。