[发明专利]一种掺杂少量钒的高质量半绝缘碳化硅单晶及衬底

说明书

本申请公开了一种掺杂少量钒的高质量半绝缘碳化硅单晶及衬底，属于半导体材料领域。该半绝缘碳化硅单晶包含浅能级杂质、低浓度深能级掺杂剂和极少量本征点缺陷；所述深能级掺杂剂与所述本征点缺陷共同补偿浅能级杂质，所述深能级掺杂剂的浓度小于掺杂半绝缘碳化硅单晶中深能级掺杂剂的浓度；所述本征点缺陷的浓度为室温下碳化硅单晶中的本征点缺陷原生浓度，所述本征点缺陷浓度不影响碳化硅单晶电学性能的稳定性。该半绝缘碳化硅单晶具有高度稳定的电阻率，并且具有高的电阻率均匀性。由该碳化硅单晶制备的碳化硅单晶衬底具有高的电阻率均匀性、低应力，使得碳化硅单晶衬底具有优异的面型质量，从而保证了后续外延质量的稳定性和一致性。

技术领域

本申请涉及一种掺杂少量钒的高质量半绝缘碳化硅单晶及衬底，属于半导体材料领域。

背景技术

半绝缘碳化硅(SiC)单晶衬底由于具有禁带宽度大、电阻率及热导率高、击穿场强大等优异的物理性能而成为制备GaN基高频微波器件的优选半导体材料。随着5G技术的不断发展，市场端对半绝缘碳化硅单晶衬底的需求数量不断扩大，更重要的，批量商业化的应用对碳化硅半绝缘单晶衬底的质量要求也提出了更高的要求。

目前已经产业化的半绝缘碳化硅单晶制备是在物理气相法(PVT)的基础上，通过引入高浓度的钒杂质作为深能级补偿中心实现半绝缘特性，由此制备的碳化硅单晶称为掺杂半绝缘碳化硅单晶；或者通过在晶体制备过程中不断降低晶体中的浅能级杂质浓度并引入一定数量的本征点缺陷实现其半绝缘特性，由此制备的碳化硅单晶称为高纯半绝缘碳化硅单晶。

掺杂半绝缘碳化硅单晶在制备过程中由于有高浓度钒引入，容易在晶体中形成钒的沉淀物并诱生微管缺陷，降低晶体质量；此外，研究表明高浓度的钒在器件中作为电子俘获中心，会引起背栅效应，降低甚至破坏器件性能。因此，随着衬底制备技术和器件制备技术的发展，高纯半绝缘碳化硅单晶衬底逐渐成为主流。高纯半绝缘碳化硅单晶中较低的浅能级杂质能够降低晶体中的有效载流子浓度，同时通过引入的特定数量的本征点缺陷将费米能级钉扎在禁带中心，从而实现晶体的半绝缘特性。然而，本征点缺陷在晶体中具有较高的迁移速率，在一定温度下(如GaN外延层制备的温度条件下)会发生迁移扩散并湮灭，这会引起衬底电阻率的不稳定性，同样对器件性能的稳定性造成影响。

掺杂半绝缘碳化硅单晶中钒浓度[V]通常为1×10¹⁷～1×10¹⁸cm^-3，相应的氮浓度[N]高于10¹⁷cm^-3量级，其制备过程中的高浓度钒掺杂具有较高的技术壁垒，且制备晶体中易形成含大量缺陷和不可控的浅能级杂质浓度，造成晶体质量不可控。高纯半绝缘碳化硅单晶中[N]为10¹⁵cm^-3量级，相应的点缺陷浓度为1×10¹⁵cm^-3量级及以上，其制备过程中的氮等浅能级杂质浓度去除需要较高的技术成本和资金成本。

发明内容

为了解决上述问题，本申请提供了一种高质量轻掺杂的半绝缘碳化硅单晶和衬底，该半绝缘碳化硅单晶的电阻率更稳定，不存在因为高浓度掺杂而引起的沉淀物缺陷和电子俘获问题；由该碳化硅单晶制备的碳化硅单晶衬底具有高的电阻率均匀性、低应力，使得碳化硅单晶衬底具有优异的面型质量，从而保证了后续外延质量的稳定性和一致性，该碳化硅单晶衬底有助于器件性能的提升。

一方面，本申请提供了一种杂掺杂少量钒的高质量半绝缘碳化硅单晶，其特征在于，包含浅能级杂质、低浓度深能级掺杂剂和极少量的本征点缺陷；所述深能级掺杂剂与所述本征点缺陷共同补偿浅能级杂质，所述深能级掺杂剂的浓度小于掺杂半绝缘碳化硅单晶中深能级掺杂剂的浓度；所述本征点缺陷的浓度为室温下碳化硅单晶中的本征点缺陷原生浓度，所述本征点缺陷浓度不影响碳化硅单晶电学性能的稳定性。

本申请中所述的本征点缺陷的原生浓度为生长碳化硅单晶过程中自热形成的本征点缺陷的浓度，不包括在碳化硅单晶后续处理时引入的本征点缺陷浓度。