[发明专利]一种降低物理气相传输法生长SiC单晶中位错密度的方法

说明书

技术领域

本发明提供一种降低物理气相传输法生长SiC单晶中位错密度的方法，属晶体材料生长技术领域。

背景技术

作为第三代宽带隙半导体材料的代表，碳化硅材料具有禁带宽度大、载流子饱和迁移速度高、热导率高、临界击穿电场强度高、化学稳定性好等优良的物理化学特性。基于这些优良的特性，SiC材料被认为是制作高频、大功率、耐高温和抗辐射电子器件的理想材料，以其制造的器件在白光照明、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有着广泛的应用。

生长大直径、高质量的SiC单晶是实现器件应用的关键。过去的20年中，经过国内外同行的不懈努力，在碳化硅材料研制方面取得了飞速发展，已经实现了大尺寸4英寸(100mm)4H-SiC衬底的商品化，器件的致命缺陷——微管密度已经可以在晶体生长过程中控制在1cm^-2以下，甚至达到零微管水平。然而，SiC材料本身仍旧存在位错密度相对较高的问题，典型值为10⁴cm^-2量级，制约了SiC材料在电子器件中更广泛的应用，比如在高位错密度衬底上制作的晶体三极管具有较大的漏电流。因此，目前提高SiC单晶材料质量的研究焦点及重点已经转移到如何减少衬底材料中的位错密度。

SiC单晶中的位错主要包括穿透型位错(Threading Dislocations)和基平面位错(Basal Plane Dislocations)。穿透型位错通常是沿生长方向(0001)延伸，沿c轴生长时，籽晶中的穿透型位错能够继承到生长层中。根据位错线与伯格斯矢量的方向关系，穿透型位错又可分为：穿透型螺位错(Threading Screw Dislocation)、穿透型刃位错(Threading Edge Dislocation)。对螺位错，其伯格斯矢量方向平行于位错线的方向，其柏格斯矢量为<0001>；对刃位错，其伯格斯矢量方向垂直于位错线的方向，其柏格斯矢量为1/3<11‐20>。而基平面位错是躺在(0001)面内的一种位错，其方向沿着<10‐10>，柏格斯矢量为1/3<11‐20>,被认为是由于生长过程中或冷却过程中热应力对晶体的作用引起的。

在Ultrahigh-quality Silicon Carbide Single Crystals(D.Nakamura,I.Gunjishima,et al.[J].Nature 2004,430:1009-1012)文章中，作者提出采用“Repeated A-Face(RAF)”方法，即通过多次重复a面(11-20)和m面(1-100)面交替生长，然后再进行c面生长，获得低位错密度高质量的SiC单晶。此方法需要多次重复生长，步骤复杂且在多次重复生长中容易引入其他的缺陷。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)作者指出，SiC沿非极性生长面生长时，相比沿c轴极性面生长，显示出完全不同的生长动力学及缺陷产生机制，穿透位错密度相比沿c轴生长大大降低，然而产生大量堆垛层错缺陷。

美国专利文件US6706114B2公布了一种新型籽晶托，其表面由两种热导率差异较大的材料制作图形，籽晶粘结在上面，以此调制物理气相传输生长方法时籽晶表面温度场分布，强制在预定义图形对应温度较低区域优先成核，按照预定义图形进行选择优先生长。生长后晶体面按预定义图形，对应分布高位错密度区域和低位错密度区域。美国专利文件US6863728 B2公布了采用了内表面镀Ta_xC_y或Nb_xC_y材质的ring element装置，实现快速扩径，在扩径部分侧向生长区域位错密度大大降低；但是，籽晶部分沿c轴轴向生长区域位错密度继承自籽晶，位错密度没有降低。

发明内容

针对现有技术中SiC材料仍存在对较高位错密度的不足，本发明提供一种降低物理气相传输法生长SiC单晶中位错密度的方法，可以稳定生长低位错密度的SiC单晶。

发明概述：