[发明专利]半绝缘碳化硅单晶

说明书

技术领域

本发明涉及一种半绝缘碳化硅单晶，特别涉及在微波器件中使用的半绝缘碳化硅衬底。

背景技术

碳化硅(SiC)材料由于具有宽带隙、高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和漂移速度等特点，在高温、高频、大功率、光电子及抗辐射等方面具有巨大的应用前景。特别是半绝缘碳化硅衬底，其在微波器件领域有着广泛的用途，所述“半绝缘”指的是室温下电阻率大于10⁵Ω·cm，这与“高阻”在概念上的描述是一致的。采用半绝缘碳化硅制备的晶体管能够在高达10GHz频率下产生超过GaAs微波部件五倍功率密度的功率。因此，制造出高结晶质量的半绝缘碳化硅衬底才能制备出高性能的微波器件，才能够应用于如蜂窝电话的通信器件以及强大的机载雷达、舰载雷达等应用领域。

理论上，本征SiC晶体由于禁带较宽而显现半绝缘特性。然而在SiC晶体生长过程中，由于SiC原料中含有N、B等杂质，石墨坩埚和保温材料中含有B、Al等杂质以及环境中残留的N杂质的影响，使得非故意掺杂生长的SiC晶体的电阻率约为0.1～100Ω·cm，该电阻率范围的晶片显然不能满足制作微波器件的需要。为此，目前主要采用在碳化硅禁带中形成深能级的方法获得电阻率大于10⁵Ω·cm的半绝缘SiC晶体，该方法的主要原理是：通过在碳化硅禁带中引入深能级作为补偿中心，从而提高材料的电阻率，此处“深能级”是指距离价带或导带的边缘300mev或者更高的能级。但是，某些元素在该范围也能产生浅能级，例如硼，也可以产生“浅能级”的作用，具体来说，浅能级是提高了材料的导电性能，而不是提高晶体的电阻率。

具体地，上述方法主要包括以下两种：

一是通过引入点缺陷作为深能级补偿浅能级杂质，获得半绝缘晶体。如美国专利6,218,680，其通过本征点缺陷来补偿浅施主、浅受主杂质，同时要求重金属或过渡族金属的含量尽量小不影响器件的电学性能，特别是要求钒小于10¹⁴cm^-3或者小于二次离子质谱的检测限。然而，到目前为止，有效地增加或减少晶体中点缺陷浓度的方法还不是很清楚。在实际晶体生长过程中，碳化硅晶体中的点缺陷浓度可能不足以补偿浅能级杂质，达不到微波器件要求的半绝缘性能。另外，一些点缺陷在热力学上是不稳定的，如果衬底在特定的环境中使用，其半绝缘性能很难有效保证。例如，研究表明SiC晶体中Si空位经过高温长时间退火后会愈合，这就会导致SiC衬底电阻率的下降，从而不能获得稳定半绝缘性能的碳化硅晶体。

另一种方法是通过引入掺杂剂作为深能级。如美国专利5,611,955，其强调掺入过渡族元素，特别是钒，作为深能级把SiC晶体中非故意掺杂的N、B补偿掉，从而获得半绝缘晶体。然而，过渡族元素作为深能级引入碳化硅晶体中获得半绝缘，也会产生某些缺点。例如，在SiC晶体中引入钒作为深能级掺杂剂时，钒的大量存在也会引入相应的晶体缺陷，当钒的浓度超出其在SiC晶体中的固溶度极限值(5×10¹⁷cm^-3)时，其就会产生钒的析出物及微管，从而影响晶体的结晶质量。另一方面，如果钒的掺杂量太多也会降低晶体的电子迁移率，从而也会影响制备出来的微波器件的性能。

发明内容

因此，本发明提供了一种半绝缘碳化硅单晶衬底，该单晶同时具有深能级掺杂剂和本征点缺陷来补偿浅能级杂质，以实现较好的半绝缘性能。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

根据本发明一个方面，提供一种半绝缘碳化硅单晶，包括本征点缺陷、深能级掺杂剂、本底浅施主杂质和本底浅受主杂质；

其中所述深能级掺杂剂和本征点缺陷的浓度之和大于本底浅施主杂质和本底浅受主杂质浓度之间差值，且所述本征点缺陷的浓度小于深能级掺杂剂的浓度，以实现补偿作用，并且所述的本征点缺陷的浓度应达到能够明显影响碳化硅晶体电阻率的浓度。

在上述半绝缘碳化硅单晶中，所述碳化硅单晶的晶型可以为3C-SiC、4H-SiC、6H-SiC或15R-SiC。

在上述半绝缘碳化硅单晶中，所述深能级掺杂剂包括元素周期表IIIB、IVB、VB、VIB、VIIB、VIIIB、IB、IIB中的至少一种元素。

在上述半绝缘碳化硅单晶中，所述本征点缺陷为碳空位、硅空位或双空位的一种或多种。