[發明專利]一種有效降低碳化硅單晶缺陷的生長方法和高質量碳化硅單晶

有效

• 申請號: 201911380301.0
• 申請日: 2019-12-27
• 公開（公告）號: CN110983434B
• 公開（公告）日: 2021-04-16
• 發明（設計）人: 劉春俊;雍慶;趙寧;彭同華;楊建
• 申請（專利權）人: 北京天科合達半導體股份有限公司;北京天科合達新材料有限公司;江蘇天科合達半導體有限公司;新疆天科合達藍光半導體有限公司
• 主分類號: C30B23/00
• 分類號: C30B23/00;C30B29/36
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 豆貝貝

本發明提供了一種有效降低碳化硅單晶缺陷的生長方法和高質量碳化硅單晶，方法包括：在碳化硅粉料和籽晶之間設置碳化硅晶體塊，加熱，碳化硅粉料升華后在所述碳化硅晶體塊處結晶，生成碳化硅過渡層，碳化硅過渡層升華后在籽晶處結晶，生長得到碳化硅單晶。該方法通過設置碳化硅晶體塊，使得碳化硅單晶的生長不直接來源于碳化硅粉料的升華，而來源碳化硅過渡層的氣相升華，能夠有效消除碳化硅粉料碳化后形成的細小石墨顆粒，隨著氣流帶到晶體中，另外也能夠有效地阻止碳化硅粉料中的雜質進入碳化硅單晶內部；還保證了生長腔室內具有更合適的Si/C比例，減少了碳化硅單晶生長過程中產生的包裹物、微管、位錯等缺陷，從而獲得高質量的碳化硅單晶。

技術領域

本發明屬于碳化硅單晶材料技術領域，尤其涉及一種有效降低碳化硅單晶缺陷的生長方法和高質量碳化硅單晶。

背景技術

碳化硅單晶材料屬于第三代寬帶隙半導體材料的代表，因其具有寬禁帶、高熱導率、高擊穿電場、高抗輻射能力等特點，在高溫、高頻、大功率、光電子及抗輻射等方面具有巨大的應用前景。

在碳化硅單晶的生長方法中最有效的方法為改良型的Lely法，也叫做物理氣相傳輸法。該方法通過將碳化硅粉料進行加熱升華成氣相，在生長室內的軸向溫度梯度和惰性氣氛的保護下，升華的氣相傳輸到冷端的籽晶上并結晶成為塊狀晶體?，F在，從利用改良型的Lely法制備得到的碳化硅單晶體，能夠切取獲得51-200mm的碳化硅單晶晶片，被提供給電力電子領域等的電子器件制作。

碳化硅單晶主要的缺陷包括微管、包裹物和位錯等，晶體中微管、包裹物以及位錯等的存在會對器件的性能、量產時的成品率有很大的影響，因此提高晶體的品質、降低晶體缺陷是碳化硅器件應用最重要的課題之一。在物理氣相傳輸法生長碳化硅單晶的過程中，一方面由于碳化硅原料中不可避免地存在各種各樣的雜質，這些雜質在高溫下也會隨著原料升華成氣相，在籽晶生長面及晶體中聚集形成雜質顆粒，進一步地引發微管、包裹物和位錯等缺陷；另一方面由于硅組分的低熔點特性，其會優先蒸發及升華，并通過石墨坩堝壁向外滲透，隨著反應的進行，Si/C比例逐漸降低，導致生長腔室內的氣相組分逐漸失衡成為富碳狀態。在富碳的生長環境下，晶體生長前沿界面會有碳的富集并形成碳包裹體缺陷。包裹體進而會誘生微管、位錯、層錯等缺陷。

基于物理氣相傳輸法生長的上述特點，為了減少物理氣相傳輸法生長碳化硅中的微管、包裹物和位錯等缺陷，提出了許多的方法。概括起來這些方法主要包括兩類，一類是通過在碳化硅原料上方添加過濾層或阻擋裝置，包括多孔石墨片，耐高溫化學性能穩定的碳化物層等；另一類是通過在碳化硅生長室內添加硅源，以期在晶體生長過程中作為硅組分的補充源，從而減少富碳組分的生成，設置的硅源主要包括固態硅氧化物(如二氧化硅)，硅粉，硅粉與碳化硅粉末的混合物等。這些方法在一定程度上過濾掉了原料中的雜質，調節了碳化硅晶體生長過程中的Si/C比例，減輕了碳化硅晶體中的缺陷，但是它們都還存在著一些問題，不能從根本上解決碳化硅原料中的雜質以及生長腔室內的Si/C比例失衡等問題。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的在于提供一種有效降低碳化硅單晶缺陷的生長方法和高質量碳化硅單晶，該方法簡單，且有效降低了碳化硅單晶中的缺陷。

本發明提供了一種有效降低碳化硅單晶缺陷的生長方法，包括以下步驟：

在碳化硅粉料和籽晶之間設置碳化硅晶體塊，加熱，所述碳化硅粉料升華后在所述碳化硅晶體塊處結晶，生成碳化硅過渡層，所述碳化硅過渡層升華后在籽晶處結晶，生長得到碳化硅單晶。

優選地，所述碳化硅晶體塊的厚度為0.3～3mm，與碳化硅粉末上表面的垂直距離為5～25mm，與籽晶下表面的垂直距離為10～30mm。

優選地，所述碳化硅晶體塊的厚度為0.5～2mm，與所述碳化硅粉料的上表面的垂直距離為10～20mm，與籽晶下表面的垂直距離為15～25mm。

優選地，所述碳化硅晶體塊為碳化硅單晶或碳化硅多晶。