[发明专利]一种减少碳化硅单晶中包裹体的坩埚及利用坩埚生长单晶的方法

说明书

本发明涉及一种减少碳化硅单晶中包裹体的新型坩埚及利用坩埚生长单晶的方法，包括外坩埚和坩埚盖，在外坩埚内设置有内坩埚，所述的内坩埚包括底部和侧壁，侧壁为双层侧壁，双层侧壁包括内壁和外壁，内壁上设置有贯穿内壁的小孔，双层侧壁上端口设置有密封内壁与外壁之间夹层的环形端盖。本发明的内坩埚将处于高温位置容易碳化的SiC粉料封闭于内坩埚的内壁与外壁之间的夹层中，粉料碳化后的微小碳颗粒不能输运到籽晶表面，同时内腔中的粉料对夹层中热解的气相起到过滤作用，避免了碳颗粒传输到SiC单晶表面，从而大大减少SiC单晶中的碳包裹体，生长得到厚度为20mm的SiC单晶无碳包裹体生成。

技术领域

本发明涉及一种减少碳化硅单晶中包裹体的坩埚及利用坩埚生长单晶的方法，属于晶体生长设备技术领域。

背景技术

碳化硅(SiC)晶体与其他诸多半导体单晶材料相比，其具有硬度高(仅次于金刚石)、热导率高(4.9W/cm·K)、热膨胀系数低(3.1-4.5×10^-6/K)、禁带宽度大(2.40-3.26eV)、饱和漂移速度高 (2.0-2.5×10⁷cm/s)，临界击穿场强大(2～3×10⁶V/cm)、化学稳定性高、抗辐射能力强等优异性能。这些优异的性能使SiC半导体器件能在高温、高压、强辐射的极端环境下工作，在光电子和电力电子领域具有广阔的应用前景，并对未来半导体产业的发展产生重要影响。

生长SiC单晶的主要方法有物理气相传输法、高温化学气相沉积法、液相法。其中，物理气相传输法(Physical Vapor Transport-PVT)是目前生长SiC晶体的主流方法，即将SiC籽晶粘接在石墨坩埚盖上，石墨坩埚内装有作为生长原料的SiC粉末，生长过程中控制籽晶温度在2100℃到2200℃之间，生长原料分解成气相组分后在石墨坩埚内部轴向温度梯度的驱动下输运到籽晶处结晶生长SiC晶体。

目前，SiC单晶衬底已经用于制备高功率半导体照明LED、高电子迁移率晶体管、肖特基二极管、金属氧化物半导体场效应管等半导体器件，但是器件的性能稳定性和长期工作的可靠性仍然受到SiC单晶衬底材料中结构缺陷的影响。SiC单晶中的典型结构缺陷包括：外来多型结构、碳包裹体、位错、微管。如何降低SiC单晶中的结构缺陷，获得具有高结构完整性的SiC单晶，对于晶体生长工作来说是一个严峻的挑战，同时也是一项长期而艰苦的研究课题。

当然针对不同的结构缺陷，需要采用相应的单晶生长技术手段加以消除。在SiC单晶的结构缺陷中，碳包裹体是一种比较难以消除的结构缺陷。碳包裹体一旦在单晶中产生，在后续的晶体生长过程中往往伴随着微管缺陷的形成，这对器件的使用有致命的影响。

碳包裹体在碳化硅单晶中的形成机理：在高温下，SiC粉料主要分解为Si, Si₂C和SiC₂三种气相物种，其中Si的蒸气压最高，这导致气相中Si/C比超过1：1，即气相中Si的原子数高于C的原子数。尽管在单晶生长初期，SiC粉料中的Si/C比保持平衡，随着加热时间的延长，Si的流失将逐渐严重，粉料将逐渐碳化。因此，在SiC单晶生长的中后期，粉料中的碳颗粒会随着载气或通过扩散，迁移到生长前沿，附着在单晶表面，并随晶体生长留在晶体中不同厚度的位置。一般来说，越到晶体生长后期，碳包裹体密度越高。

目前物理气相传输法生长SiC单晶的过程中，采用中频感应加热SiC粉料，因此SiC粉料内不同位置的温度差非常大，一般靠近坩埚壁并接近坩埚底部处的粉料温度最高，离坩埚壁越远并靠近表面处的粉料温度最低。因此如何在SiC晶体生长过程中，阻止生长中后期粉料中的碳颗粒进入晶体中，减少单晶中的碳包裹体，是目前SiC单晶生长技术中迫切需要解决的一个技术难题。