[發明專利]一種低碳包裹物密度SiC單晶的生長裝置及生長方法

在審

• 申請號: 201910343869.9
• 申請日: 2019-04-26
• 公開（公告）號: CN110129880A
• 公開（公告）日: 2019-08-16
• 發明（設計）人: 楊昆;路亞娟;牛曉龍;劉新輝;張福生
• 申請（專利權）人: 河北同光晶體有限公司
• 主分類號: C30B23/00
• 分類號: C30B23/00;C30B29/36
• 代理公司: 北京匯信合知識產權代理有限公司 11335
• 代理人: 戴鳳儀

本發明提供了一種低碳包裹物密度SiC單晶的生長裝置及生長方法，該裝置包括的單晶生長坩堝、硅料坩堝以及分隔板。單晶生長坩堝無下蓋并位于硅料坩堝上方，二者腔體相連，分隔板將單晶生長坩堝及硅料坩堝組合體的腔體分隔為兩部分。分隔板以上腔體進行物理氣相傳輸方法制備SiC單晶，硅料坩堝內置入單質硅。所述分隔板允許氣相Si組分透過，在制備SiC單晶過程中，通過保持硅料坩堝溫度低于單晶生長溫度，避免了單晶由于附加硅源導致的硅滴缺陷，同時可實現向SiC多晶原料內緩釋Si組分抑制多晶原料的石墨化，有效降低SiC單晶中碳包裹物缺陷密度。

技術領域

本發明屬于半導體材料領域，具體涉及一種低碳包裹物密度碳化硅單晶的裝置及生長方法。

背景技術

作為第三代寬帶隙半導體材料的一員，相對于常見Si和GaAs等半導體材料，碳化硅材料具有禁帶寬度大、載流子飽和遷移速度高，熱導率高、臨界擊穿場強高等諸多優異的性質。基于這些優良的特性，碳化硅材料是制備高溫電子器件、高頻、大功率器件更為理想的材料。特別是在極端條件和惡劣條件下應用時，SiC器件的性能遠優于Si器件和GaAs器件。同時SiC還是另一種寬禁帶半導體材料GaN當前能夠量產的最好的襯底材料，SiC襯底GaN基LED發光效率遠高于傳統的Si及藍寶石襯底GaN基LED。

SiC單晶中較高的缺陷密度是限制SiC基器件快速發展及制約SiC基器件性能的主要因素。碳包裹物是目前使用物理氣相傳輸方法制備SiC單晶中的常見缺陷，其能夠導致單晶中微管及位錯等缺陷增殖。此外襯底中的碳包裹物能夠在同質外延層中導致三角形缺陷等缺陷的產生，進而影響SiC基器件性能。

目前最為成熟的SiC單晶制備方法為物理氣相傳輸方法，常規的物理氣相傳輸方法生長碳化硅單晶通常在由雙層石英管所構成的爐腔內進行，雙層石英管之間通有冷卻水。由等靜壓石墨構成的單晶生長坩堝及由石墨纖維構成的保溫材料被置于爐腔內，其中保溫材料包裹單晶生長坩堝。圖1所示為常規的SiC單晶生長坩堝結構，碳化硅多晶原料被置于坩堝底部，籽晶置于坩堝頂部。坩堝被加熱至超過2000℃，多晶原料分解升華，生成以Si、Si₂C、SiC₂三種組分為主的氣相組分。在生長過程中多晶原料的溫度保持高于籽晶溫度，該溫度差驅使上述氣相組分向籽晶輸運，并沉積在籽晶上實現SiC單晶的生長。由于多晶原料的分解升華并非化學計量比升華，分解升華所形成氣相組分富硅，3種主要的氣相產物中，Si組分分壓顯著高于另外兩種含碳氣相組分。同時由于單晶生長坩堝通常由多孔的等靜壓石墨構成，Si組分不可避免得由坩堝內部擴散至坩堝外部。Si組分的流失導致多晶原料發生石墨化，石墨化多晶原料內殘余固態碳顆粒，固態碳顆粒被輸運至生長面上，被后續生長單晶包裹，進而在碳化硅單晶內形成碳包裹物缺陷。

現有技術中解決上述問題的技術方案是生長開始前預先在多晶原料內混入單質硅，補償生長過程中所流失Si組分，抑制多晶原料的石墨化，降低碳包裹物密度。但在相同溫度下，由Si單質升華形成Si氣相組分的分壓顯著高于SiC多晶原料升華形成Si氣相組分分壓。因此單質硅直接混入SiC多晶原料，會使得坩堝內Si組分分壓過高導致碳化硅單晶出現硅滴、多型夾雜等缺陷。

發明內容

針對直接在多晶原料內置入單質硅易導致單晶內出現硅滴、多型夾雜等問題，本發明提出一種低碳包裹物密度碳化硅單晶生長的裝置及方法，能夠相對可控得向生長腔內補償氣相Si組分，避免發生硅滴、多型夾雜等問題。

本發明為解決上述技術問題所采用的技術方案如下：

技術方案一：

一種低碳包裹物密度SiC單晶的生長裝置，所述生長裝置包括無下蓋的單晶生長坩堝、硅料坩堝和分隔板；所述單晶生長坩堝位于所述硅料坩堝的上方，單晶生長坩堝與硅料坩堝之間形成腔體，二者密封連接，腔體相連，所述分隔板將所述單晶生長坩堝及所述硅料坩堝組合體的腔體分隔為兩部分。所述分隔板以上腔體用于物理氣相傳輸方法生長，硅單質置入硅料坩堝內。