[发明专利]一种低碳包裹物密度SiC单晶的生长装置及生长方法

说明书

本发明提供了一种低碳包裹物密度SiC单晶的生长装置及生长方法，该装置包括的单晶生长坩埚、硅料坩埚以及分隔板。单晶生长坩埚无下盖并位于硅料坩埚上方，二者腔体相连，分隔板将单晶生长坩埚及硅料坩埚组合体的腔体分隔为两部分。分隔板以上腔体进行物理气相传输方法制备SiC单晶，硅料坩埚内置入单质硅。所述分隔板允许气相Si组分透过，在制备SiC单晶过程中，通过保持硅料坩埚温度低于单晶生长温度，避免了单晶由于附加硅源导致的硅滴缺陷，同时可实现向SiC多晶原料内缓释Si组分抑制多晶原料的石墨化，有效降低SiC单晶中碳包裹物缺陷密度。

技术领域

本发明属于半导体材料领域，具体涉及一种低碳包裹物密度碳化硅单晶的装置及生长方法。

背景技术

作为第三代宽带隙半导体材料的一员，相对于常见Si和GaAs等半导体材料，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、临界击穿场强高等诸多优异的性质。基于这些优良的特性，碳化硅材料是制备高温电子器件、高频、大功率器件更为理想的材料。特别是在极端条件和恶劣条件下应用时，SiC器件的性能远优于Si器件和GaAs器件。同时SiC还是另一种宽禁带半导体材料GaN当前能够量产的最好的衬底材料，SiC衬底GaN基LED发光效率远高于传统的Si及蓝宝石衬底GaN基LED。

SiC单晶中较高的缺陷密度是限制SiC基器件快速发展及制约SiC基器件性能的主要因素。碳包裹物是目前使用物理气相传输方法制备SiC单晶中的常见缺陷，其能够导致单晶中微管及位错等缺陷增殖。此外衬底中的碳包裹物能够在同质外延层中导致三角形缺陷等缺陷的产生，进而影响SiC基器件性能。

目前最为成熟的SiC单晶制备方法为物理气相传输方法，常规的物理气相传输方法生长碳化硅单晶通常在由双层石英管所构成的炉腔内进行，双层石英管之间通有冷却水。由等静压石墨构成的单晶生长坩埚及由石墨纤维构成的保温材料被置于炉腔内，其中保温材料包裹单晶生长坩埚。图1所示为常规的SiC单晶生长坩埚结构，碳化硅多晶原料被置于坩埚底部，籽晶置于坩埚顶部。坩埚被加热至超过2000℃，多晶原料分解升华，生成以Si、Si₂C、SiC₂三种组分为主的气相组分。在生长过程中多晶原料的温度保持高于籽晶温度，该温度差驱使上述气相组分向籽晶输运，并沉积在籽晶上实现SiC单晶的生长。由于多晶原料的分解升华并非化学计量比升华，分解升华所形成气相组分富硅，3种主要的气相产物中，Si组分分压显著高于另外两种含碳气相组分。同时由于单晶生长坩埚通常由多孔的等静压石墨构成，Si组分不可避免得由坩埚内部扩散至坩埚外部。Si组分的流失导致多晶原料发生石墨化，石墨化多晶原料内残余固态碳颗粒，固态碳颗粒被输运至生长面上，被后续生长单晶包裹，进而在碳化硅单晶内形成碳包裹物缺陷。

现有技术中解决上述问题的技术方案是生长开始前预先在多晶原料内混入单质硅，补偿生长过程中所流失Si组分，抑制多晶原料的石墨化，降低碳包裹物密度。但在相同温度下，由Si单质升华形成Si气相组分的分压显著高于SiC多晶原料升华形成Si气相组分分压。因此单质硅直接混入SiC多晶原料，会使得坩埚内Si组分分压过高导致碳化硅单晶出现硅滴、多型夹杂等缺陷。

发明内容

针对直接在多晶原料内置入单质硅易导致单晶内出现硅滴、多型夹杂等问题，本发明提出一种低碳包裹物密度碳化硅单晶生长的装置及方法，能够相对可控得向生长腔内补偿气相Si组分，避免发生硅滴、多型夹杂等问题。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

技术方案一：

一种低碳包裹物密度SiC单晶的生长装置，所述生长装置包括无下盖的单晶生长坩埚、硅料坩埚和分隔板；所述单晶生长坩埚位于所述硅料坩埚的上方，单晶生长坩埚与硅料坩埚之间形成腔体，二者密封连接，腔体相连，所述分隔板将所述单晶生长坩埚及所述硅料坩埚组合体的腔体分隔为两部分。所述分隔板以上腔体用于物理气相传输方法生长，硅单质置入硅料坩埚内。