[发明专利]一种在含氧气氛下生长高质量碳化硅晶体的方法

说明书

本发明公开了一种在含氧气氛下生长高质量碳化硅晶体的方法，其包括将装有碳化硅原料、籽晶的石墨坩埚放入SiC晶体生长炉，将含氧的气体如二氧化碳或氧气通过管道直接引入到石墨坩埚，从而生长出高质量碳化硅晶体。相比于常规的气相传输法生长碳化硅晶体，本发明的不同之处在于：在生长体系中引入了氧气或二氧化碳等含氧气体，通过富含氧的气体消耗掉悬浮在生长气氛中的石墨细小颗粒，从而能够显著减少晶体中的包裹物缺陷，获得高质量的碳化硅晶体，提高了碳化硅晶体生长的成品率。

技术领域

本发明涉及一种高质量碳化硅晶体生长的方法，可以显著减少碳化硅晶体包裹物缺陷，提高碳化硅晶体的质量及成品率，涉及SiC晶体生长领域。

背景技术

“一代材料、一代器件”。继Si、GaAs之后，第三代半导体SiC材料与器件成为目前国际上半导体产业研究的热点。SiC材料以其特有的大禁带宽度、高临界击穿电场、高电子饱和漂移速度以及高热导率等特性，成为制作大功率、高温、高压等半导体器件的理想材料，在电力电子技术、LED、微波通讯等领域显示出了巨大的应用潜力。

目前，生长SiC晶体最有效的方法是物理气相传输法(Journal of crystalgrowth43(1978)209-212)，典型生长室的结构如图1所示。坩埚由上部的盖和下部的埚组成，上部的盖子用于固定SiC籽晶，通常称之为籽晶托，下部的坩埚用于装SiC原料。

在物理气相传输法生长SiC晶体的过程中，原料在高温下蒸发所发生的基本反应包括：

SiC(s)iúSi(g)+C(s)

2SiC(s)iúSi(g)+SiC₂(g)

Si(g)+SiC(s)iúSi₂C(g)式中s和g分别表示固相和气相。

由上述反应式可见生长室内形成的气相主要为Si、Si₂C和SiC₂。根据Drowar等人(J.Chem.Phys,29(1958):1015-1021.)的研究，在晶体生长所需要的2100℃－2500℃温度范围内，Si蒸气的分压比Si₂C和SiC₂蒸气的分压高出很多。在晶体生长过程中，SiC原料的蒸发总是伴随着Si的丢失过程，蒸发剩余的固相总是富C。由于SiC原料自身高温蒸发特性，即体系所要求的气相分压组合，原料必然会发生石墨化，即在SiC原料中剩余碳颗粒。在生长过程中，随着晶体厚度增加，原料的边缘由于温度最高，最先发生石墨化，留下大量的碳颗粒，从而在原 料的外侧产生一个环形的石墨化区域。该区域内的碳颗粒本身非常蓬松，密度较小，很容易被SiC原料升华形成的气相组分带到晶体表面，从而被包裹到晶体中，形成包裹物缺陷。

在SiC晶体生长过程中，所用的SiC原料颗粒的粒度分布范围较宽，最细颗粒直径只有几微米，粗的可达几百微米甚至毫米量级。晶体生长初期，由于此时生长温度相对较低，生长室内气相蒸气压较低，因此生长速度较慢，原料石墨化还未开始。随着生长的进行，生长室内气相蒸气压逐渐增大，细颗粒的原料石墨化也逐渐开始，石墨化后的细颗粒会在生长室内气相蒸气的对流作用下带到生长界面，从而在晶体中开始产生包裹物。但由于此时生长刚开始不久，原料刚开始石墨化，石墨颗粒较少，此时包裹物的密度较低。随着生长的进一步进行，原料石墨化严重，大量的石墨颗粒产生，这些细小的石墨颗粒很容易被升华的气流带动晶体生长表面，从而形成包裹物。另外，SiC晶体中包裹物缺陷会导致其他晶体缺陷的产生，例如包裹物会导致微管缺陷的产生，进一步导致晶体质量的恶化。

综合上述，现有公开的碳化硅晶体生长方法不能有效解决包裹物缺陷问题，从而严重影响SiC晶体的质量和产率。

发明内容