[發明專利]一種高純半絕緣碳化硅單晶及其高效制備方法和應用

在審

• 申請號: 201910631402.4
• 申請日: 2019-07-12
• 公開（公告）號: CN110396723A
• 公開（公告）日: 2019-11-01
• 發明（設計）人: 高超;寧秀秀;李霞;劉家朋;李加林;李長進;竇文濤;梁曉亮
• 申請（專利權）人: 山東天岳先進材料科技有限公司
• 主分類號: C30B29/36
• 分類號: C30B29/36;C30B23/00
• 代理公司: 濟南千慧專利事務所(普通合伙企業) 37232
• 代理人: 韓玉昆

本申請公開了一種高純半絕緣碳化硅單晶及其高效制備方法和應用，屬于半導體材料領域。該制備方法包括：組裝和長晶，碳化硅多晶塊原料設置孔道結構，孔道結構靠近籽晶的一端設置氣相出口，原料區內的部分氣相原料通過孔道結構自氣相出口氣相傳輸至籽晶。本申請以具有孔道結構的碳化硅多晶塊制備碳化硅單晶的長晶效率高，制得的碳化硅單晶的質量高、純度高；利用同一籽晶可以同時生長兩塊碳化硅單晶錠，兩塊單晶錠的質量相似、長晶成本低、長晶效率高，長晶路徑短、氣相傳輸路徑容易控制；通過控制碳化硅單晶的長晶壓力變化和壓力值，避免了由于碳化硅多晶塊的致密性而導致制備高純半絕緣碳化硅單晶的形核紊亂，提高了碳化硅單晶的長晶質量。

技術領域

本申請涉及一種高純半絕緣碳化硅單晶及其高效制備方法和應用，屬于半導體材料領域。

背景技術

隨著5G通訊、新能源汽車等產業的迅猛發展對功率電子器件的需求不斷增加，以碳化硅(SiC)半導體為代表的第三代半導體材料，因具有寬禁帶、高熱導率、高臨界擊穿場強和高飽和電子漂移速率等優異的物理性能而備受關注。由于SiC單晶制備難度極大，SiC單晶襯底成本高昂，因此如何高效制備低成本的SiC單晶襯底成為解決上述新興產業對功率器件需求的核心問題。

目前，SiC單晶制備最成熟的制備技術是物理氣相輸運(PVT)法，即在較低的壓力下通過將合成SiC粉料加熱至一定溫度使其升華并沿溫度梯度傳輸至籽晶處結晶而形成新的SiC單晶。PVT法制備SiC單晶的關鍵是合理的設計并控制熱場條件以使合成粉料升華得到的氣相組分有序的傳輸至籽晶處重新結晶。因此，合成粉料的質量(包括純度)及氣相組分傳輸路徑的控制成為PVT法的技術核心。然而，由于粉料合成過程中引入的雜質污染、粉料粒度、晶型等的控制難度較大，使得PVT法前序工序的粉料合成亦有很大的技術難度；而在2300℃左右的高溫及接近真空的低壓下，氣相組分的傳輸控制難度同樣極大。此外，PVT法的長晶方式是將粉料置于生長腔室下部、籽晶置于粉料之上的生長腔室上部，因此單次的晶體生長僅能實現單一晶體的制備，晶體制備效率較低，這也是SiC單晶成本居高不下的重要原因之一。

發明內容

為了解決上述問題，本申請提供了一種高純半絕緣碳化硅單晶及其高效制備方法和應用。該高純半絕緣碳化硅單晶的制備方法以具有孔道結構的碳化硅多晶塊制備高純半絕緣碳化硅單晶的長晶效率高，制得的碳化硅單晶錠的質量高、純度高；利用同一個籽晶可以同時生長兩塊碳化硅單晶，成本低、長晶效率高，長晶路徑短、氣相傳輸路徑容易控制；通過控制碳化硅單晶的長晶的壓力變化和壓力值，避免了由于碳化硅多晶塊的致密性而導致制備高純半絕緣碳化硅單晶的形核紊亂，提高了長晶質量。

根據本申請的一個方面，提供了一種高純半絕緣碳化硅單晶的制備方法，所述制備方法包括下述步驟：

1)組裝：在坩堝內設置原料區和籽晶，所述原料區放置至少一個與所述籽晶相對的碳化硅多晶塊；

2)長晶：將組裝完成的坩堝置于長晶爐內，控制長晶爐長晶條件使得所述碳化硅多晶塊升華為氣相原料，所述氣相原料自原料區氣相傳輸至籽晶進行長晶，制得高純半絕緣碳化硅單晶；

其中，所述碳化硅多晶塊設置孔道結構，所述孔道結構靠近籽晶的一端設置氣相出口，原料區內的部分氣相原料通過孔道結構自氣相出口氣相傳輸至籽晶。

可選地，所述孔道結構為沿所述碳化硅多晶塊軸向設置的通孔。

優選地，所述孔道結構與所述籽晶的中心區域對應設置。

可選地，所述原料區設置多個碳化硅多晶塊，所述多個碳化硅多晶塊沿所述坩堝的軸向排布，且相鄰的碳化硅多晶塊之間形成徑向通道，所述徑向通道與所述孔道結構連通。氣相原料自碳化硅多晶塊體間的徑向通道至孔道結構的傳輸，有利于提高升華速率，提高長晶效率。