[发明专利]一种提高4H-SiC单晶晶型稳定性的方法

说明书

技术领域

本发明提供一种提高4H-SiC单晶晶型稳定性的方法，属于晶体生长技术领域。

背景技术

SiC是第三代宽禁带半导体代表，具有禁带宽度大、迁移率高、热导率高等优良的电学热学特性，成为制作高频、大功率、耐高温和抗辐射器件的理想材料。在器件研制方面，SiC蓝光LED已经商业化；SiC功率器件的研发已成为新型功率半导体器件研究开发的主流；在高温半导体器件方面，利用SiC材料制作的SiCJFET和SiC器件可以在无任何领却散热系统下的600℃高温下正常工作。随着SiC半导体技术的进一步发展，SiC材料与器件的应用越来越广阔，在白光照明、汽车电子化、雷达通讯、石油钻井、航空航天、核反应堆系统及军事装备等领域起到至关重要的作用。

在SiC多种晶型结构中，4H-SiC的禁带宽度更加宽；电子迁移率是6H-SiC的2倍多；由于六方比例更小，其各项异性更弱。因此，被认为是制备高频大功率器件最有前途的SiC材料。

然而，由于SiC各晶型的结构极其相似一维方向(生长方向)堆垛层错能极为接近、六角百分比十分接近、滑移面结构相近、生长温度范围小等原因，在4H-SiC晶型生长中，特别容易产生其他晶型的的夹杂。这会导致了大量缺陷比如微管、层错等的产生，对器件的电学性能、稳定性对会产生不利影响，严重地影响了晶体的产率和使用。所以4H-SiC体块单晶的生长，首要的问题就是保证晶型的稳定。

对于多型的影响因素有过不少的研究，在Near-thermal Equilibrium Growth of SiC bv Physical Vapor Transport  (Norbert Schulze，Donovan L.Barrett，Gerhard Pensl，et al.[J]Materials Science and Engineering B 1999，61-62：44-47)文章明确阐述了采用4H的碳面作为籽晶，才有可能得到晶型稳定的4H-SiC单晶；采用其他晶面作为籽晶容易导致多型夹杂。同时在Polarity-and orientation-related Defect Distribution in 4H-SiC Single Crystals(Rost H，Schmidbaner M，Siche D，et al.[J]Journal of Crystal Growth 2006，290：137-143)中认为随着偏角的增大会导致微管和缺陷密度降低。

然而，在生长过程中程中，多型的夹杂问题仍然很严重，如何得到整体晶型稳定的4H-SiC仍然需要其他生长条件配合。

发明内容

本发明针对以上的技术不足，提供一种提高4H-SiC单晶晶型稳定性的方法，可以稳定生长大尺寸4H-SiC单晶体。

发明概述

本发明通过提高生长室的温度梯度，实现大直径4H-SiC单晶的可控和重复生长。

本发明通过调控生长腔内的温度差、压力和选用合适的籽晶，实现大尺寸4H-SiC单晶体的稳定生长。本发明涉及的生长装置可参照CN1554808A(CN200310114637.5)。

术语说明：腔内温度差，指的是原材料料表面中心温度与籽晶表面中心温度之差。

发明详述

一种提高4H-SiC单晶晶型稳定性的方法，使用的生长装置为单晶生长炉，包括生长室、石墨坩埚、保温材料和感应加热系统，生长室侧壁有水冷装置，水冷装置是石英玻璃构成的密封双层管，在双层管中的循环工作介质是水，水温在生长过程中保持恒定；坩埚有固定籽晶的籽晶座；坩埚和保温材料放置在生长室内，生长室可达到1×10^-6mbar以上的真空度，由位于其外侧的感应线圈提供热量，达到晶体生长所要求的高温条件，感应线圈内通水冷却；温场条件是坩埚内部籽晶处的温度最低，生长方向有较大梯度的温场分布；晶体生长表面的径向等温线的分布近似平行，中心最低，边缘最高，将纯度至少为5N的高纯碳化硅粉料作为源材料盛放在石墨坩埚内，将籽晶固定在籽晶座上，密封后放入生长室，生长前采用真空条件去除氧、水有害物质，其特征在于，

生长时通入气体提供晶体生长所需的气氛，压力为5-40mbar，温度为2100～2240℃，源材料升华的气相成分输送到籽晶表面，并在那里成核生长；

精确控制温度，使整个生长过程中温度浮动小于10℃；

精确控制压力，使整个生长过程中压力浮动小于5mbar；

所述籽晶选用4H-SiC碳面籽晶，籽晶偏向(11-20)方向偏角为0-4°；