[发明专利]一种碳化硅晶体的生长方法

说明书

本发明涉及晶体生长技术领域，具体涉及一种碳化硅晶体的生长方法，所述方法包括如下步骤：(1)将碳化硅粉末放入坩埚中，加热至2000‑2100℃，升温速率200‑400℃/h，保温0.5‑1h，最后以50‑100℃/h降至室温，得到物质A；(2)将物质A放入含有籽晶的坩埚内，加热坩埚使物质A升华后再结晶，得到碳化硅晶体，本发明具有生长速率高、低缺陷、高纯度的优点。

技术领域

本发明涉及晶体生长技术领域，具体涉及一种碳化硅晶体的生长方法。

背景技术

SiC作为C和Si稳定的化合物，其晶格结构由致密排列的两个亚晶格组成，每个Si(或C)原子与周边包围的C(或Si)原子通过定向的强四面体SP3键结合，虽然SiC的四面体键很强，但层错形成能量却很低，这一特点决定了SiC的多型体现象，已经发现SiC具有250多种多型体，每种多型体的C/Si双原子层的堆垛次序不同。最常见的多型体为立方密排的3C-SIC和六角密排的4H、6H-SiC。不同的多型体具有不同的电学性能与光学性能。SiC的禁带宽度为Si的2-3倍，热导率约为Si的4.4倍，临界击穿电场约为Si的8倍，电子的饱和漂移速度为Si的2倍。SiC的这些性能使其成为高频、大功率、耐高温、抗辐照的半导体器件的优选材料，可用于地面核反应堆系统的监控、原油勘探、环境监测及航空、航天、雷达、通讯系统和大功率的电子转换器及汽车马达等领域的极端环境中。

目前，SiC晶体作为第三代宽禁带半导体，与Si和GaAs为代表的传统半导体相比，具有高工作温度，高临界电场，高饱和迁移率和高热导率等特点，这些优异性能可以满足现代电子技术对高温、高频、高功率、高电压等的要求，SiC器件的应用可以使设备性能成倍提高，具有非常宽广的应用前景。

碳化硅在正常的工程条件下无液相存在，低压下1800℃左右开始升华为气体，因而不能象锗、硅、砷化镓那样用籽晶从熔体中生长，也不能用区熔法进行提纯，并且存在一定条件下极易相互转变的不同结晶形态(即同质异晶型或同质多型体，Polytype)，故碳化硅是当今世界人工晶体生长的难点之一。

目前主要有两种碳化硅晶体制备方法：以体单晶为目标的物理气相输运法(即籽晶升华法)和以薄膜制备为目标的外延法。现有技术中物理气相输运法将作为生长源的碳化硅粉(或硅、碳固态混合物)置于温度较高的坩埚底部，籽晶固定在温度较低的坩埚顶部，生长源在低压高温下升华分解产生气态物质。在由生长源与籽晶之间存在的温度梯度而形成的压力梯度的驱动下，这些气态物质自然输运到低温的籽晶位置，并由于超饱和度的产生而结晶生长，形成晶态的碳化硅。

在物理气相传输法生长过程中，随着晶体厚度增加，原料的边缘由于温度最高，最先发生石墨化，留下大量的碳颗粒，从而在原料的外侧产生一个环形的石墨化区域。该区域内的碳颗粒本身非常蓬松，密度较小，很容易被SiC原料升华形成的气相带动到晶体表面，从而被包裹到晶体中，形成包裹物缺陷，影响SiC晶体的质量和产率。

中国专利CN104695019A公开了一种碳化硅的晶体生长方法，该发明利用溶液法的碳化硅晶体生长方法中，作为Si-C溶液的收容部，使用以SiC为主要成分的坩埚。使Si-C溶液中含有金属元素M(M为选自由La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Lu组成的第一组、由Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu组成的第二组、由Al、Ga、Ge、Sn、Pb、Zn组成的第三组的至少一组中的至少一种金属元素)，加热坩埚，使源于作为坩埚的主要成分的SiC的Si和C从与Si-C溶液接触的坩埚表面的高温区域向Si-C溶液内溶出。由此，抑制在与Si-C溶液接触的坩埚表面的SiC多晶的析出。但是该专利的晶体生长速率和品质有待进一步提高。

中国专利CN102899718A公开了一种用于提高晶体生长速率的碳化硅晶体生长方法，具体步骤包括：制作石墨柱；将碳化硅粉源装入坩埚中，然后将石墨柱插入碳化硅粉源中，再将坩埚工装后置入生长设备中；进行碳化硅粉源烧结并除杂；从坩埚中取出石墨柱；进行晶体生长操作。该发明解决了现有技术中碳化硅粉源利用率不高、晶体平均生长速率低的问题。但是该专利操作复杂，晶体品质有待进一步提高。