[发明专利]生长半绝缘碳化硅单晶锭的方法和用于生长碳化硅单晶锭的装置

说明书

实施方案涉及一种生长半绝缘SiC单晶锭的方法，所述方法包括以下步骤：(1)将涂覆有碳化硅(SiC)和碳基材料的掺杂剂放入包含固定有籽晶的反应容器中；以及(2)在所述籽晶上生长SiC单晶，从而产生高质量的半绝缘SiC单晶锭，其具有均匀的基于厚度的掺杂浓度。另外，另一实施方案涉及一种生长半绝缘碳化硅单晶锭的方法，所述方法包括以下步骤：(a)将包含含碳聚合物树脂、溶剂、掺杂剂和碳化硅(SiC)的组合物置于反应容器中；(b)固化所述组合物；(c)在固定于所述反应容器中的所述籽晶上生长SiC单晶锭，从而产生高质量的半绝缘SiC单晶锭，其具有均匀的基于厚度的掺杂浓度。另外，另一实施方案涉及一种用于生长SiC单晶锭的装置，其中所述装置能够生产高质量的SiC单晶锭，所述高质量的SiC单晶锭包括通过SiC组合物的碳化或石墨化产生的多孔体，因此当SiC单晶锭的直径较大时，仍然具有均匀的基于厚度的掺杂浓度。

技术领域

实施方案涉及使用涂覆有碳基材料的掺杂剂用于生长半绝缘SiC单晶锭的方法，或通过固化包含含碳聚合物树脂的组合物、溶剂、掺杂剂和SiC来生长半绝缘SiC单晶锭的方法。

另外，实施方案涉及一种用于生长SiC单晶锭的装置，所述装置包括通过SiC组合物碳化或石墨化制备得到的多孔体。

背景技术

碳化硅(Silicon carbide,SiC)具有耐热性和机械强度优异、耐辐射的优点，并且可以制成具有大直径的衬底。因此，已积极进行研究以开发用于下一代功率半导体器件的衬底。具体地，单晶碳化硅(SiC)具有宽的能带隙(energy band gap)，并且其最大击穿场电压(break field voltage)和导热率优于硅(Si)。另外，单晶碳化硅的载流子迁移率与硅相当，并且电子的饱和漂移率及其击穿电压(breakdown voltage)也大。因此，单晶碳化硅有望应用于需要高功率、高效率、高击穿电压和大容量的半导体器件。

近年来，氮化镓(GaN)和氮化铝(AlN)作为用于高频半导体器件的材料受到关注。在这种用于高频半导体器件的衬底中，必不可少的是增加衬底的电阻(例如1×10⁵Ωcm或更大)，即，形成半绝缘状态以提高SiC衬底中晶体的质量，并防止与其他元件的短路。

通常，已经使用将掺杂剂与SiC混合和合成的方法，来制备半绝缘SiC单晶锭。但是，由于掺杂剂和SiC的升华温度不同，掺杂剂首先升华。例如，掺杂剂钒的升华温度约为1910℃，而SiC的升华温度约为2700℃。因此，钒首先升华。因此，由于掺杂浓度随晶锭的厚度而变化，产生了电阻率随晶锭的厚度而变化的问题。具体地，在SiC单晶锭生长的初始阶段过度进行掺杂，而在SiC单晶锭生长的最后阶段进行较少的掺杂，由此掺杂浓度随SiC单晶锭的厚度而变化。

另外，在SiC单晶锭的生长中，由于热振动，SiC可能反弹并粘附在籽晶上，或者可能干扰SiC通量分布(flux pattern)的形成。因此，可能抑制半绝缘SiC单晶锭的生长，导致质量下降。

为了解决上述问题，已经使用了将掺杂剂装载到多孔石墨容器中或通过合成使SiC粉末中包含掺杂剂的方法。但是，该方法的缺点在于复杂并且增加了成本。另外，由于在多孔石墨容器中形成的杂质而难以控制掺杂浓度，因此半绝缘SiC单晶锭的质量难以提高。此外，为了解决上述问题，已经将SiC和掺杂剂粉碎，或者使用具有大粒径的原料。但是，该方法的缺点在于，需要对粉末进行单独的热处理步骤。

另外，近年来，随着SiC单晶锭的直径增加，用于生长SiC单晶锭的反应容器的尺寸成比例地增加。然而，随着反应容器的尺寸增加，需要大量的能量加热至用于生长SiC单晶锭的温度，并且其缺点在于，到反应容器中心的温度梯度并不一致。因此，由于晶锭的边缘和中心之间的温差高，原料的供给不均匀，并且晶锭的中心产生凸形或晶锭的端部发生损耗，从而导致晶锭的质量下降。

因此，继续研究开发用于生长半绝缘SiC单晶锭的方法，该方法产生半绝缘状态而不降低半绝缘SiC单晶锭的质量，和用于生长SiC单晶锭的装置。