[发明专利]一种降低氮掺杂整体不均匀性的n型碳化硅晶体的生长方法

说明书

一种降低氮掺杂整体不均匀性的n型碳化硅晶体的生长方法，它属于碳化硅晶体生长技术领域。本发明要解决的技术问题为晶体生长中掺杂的均匀性。本发明在坩埚中填入碳化硅粉料并安装碳化硅籽晶，将坩埚放入晶体生长炉中，将晶体生长炉抽真空到10^‑5‑10^‑9atm，加热到500‑1200℃，维持0.5‑2h，将晶体生长炉充入氩气、氮气、氢气的混合气体继续加热晶体生长炉到2100‑2400℃，然后控制生长过程中通入气体中氮气所占体积比随时间逐渐提高，生长晶体40‑150h，然后充入氮气关闭加热电源后随炉冷却至室温，完成降低氮掺杂整体不均匀性的n型碳化硅晶体的生长。本发明制备的晶体均匀度高。

技术领域

本发明属于碳化硅晶体生长技术领域；具体涉及一种降低氮掺杂整体不均匀性的n型碳化硅晶体的生长方法。

背景技术

碳化硅作为第三代半导体材料，具有宽禁带、高击穿场强、高热导率等特点。可应用于诸如新能源汽车、光伏逆变器、充电桩等领域，以实现降低功耗、提高开关频率、降低总体成本等目标。

由于碳化硅在常压下在加热到熔点之前就会分解，无法直接使用类似于硅晶体生长的方法。目前大尺寸碳化硅晶体生长方法主要是PVT法，该方法是将碳化硅粉料放入坩埚底部，将碳化硅籽晶(碳化硅单晶晶片，作为晶体生长的种子)粘贴于坩埚顶部，之后对反应容器抽真空到10^-5-10^-9atm，并加热到1000℃左右，期间保持真空度。之后充入适量的氩气到10^-2-10^-4atm，进一步加热到2000℃左右，在此高温与惰性气氛的条件下使原料发生分解，分解后产生的气相受温度梯度的控制沉积到籽晶上面生长出晶体。

由于碳化硅在器件设计中的要求不同，目前由生长的晶体制备出的衬底可分为半绝缘型和导电型。而导电型碳化硅衬底可根据使用的掺杂元素被分为n型和p型。其中n型碳化硅衬底常使用的掺杂元素为氮，其的掺杂方式一般为在晶体生长过程中气氛中加入一定分压的氮气，使得氮原子在晶体生长过程中进入到晶体中。

碳化硅高温分解过程中，碳原子与硅原子并不是按照固相粉末中1：1的比例进入到气相中，其中硅原子更容易进入到气相，使得残留的粉料中有更多的碳元素并有石墨化的现象。气相中所含碳原子数与硅原子数的比值称为碳硅比，其取决于温度、粉料的形貌结构、坩埚性质等，并对碳化硅晶体生长的速率与缺陷的密度有影响，其同时也对掺杂的效果有影响。对于氮元素，当气氛中的氮气比值一定，碳硅比较高时相对的掺杂效果较差，而当碳硅比较低时掺杂效果较好。

生长过程中由于硅原子相比于碳原子更容易进入到气相中，而这些硅原子会由坩埚缝隙泄露出生长腔，使得随晶体生长的进行坩埚内的碳硅比会逐渐的提高。一般制备氮掺杂的n型导电型碳化硅衬底时，氮气的分压是恒定，由于碳硅比的逐渐提高，氮掺杂的浓度会有一定的下降，使得晶体生长后期生长出的晶体中氮的浓度相较于之前生长出的晶体较低，相应的导电性等电学性质有所差异。同时由于气相与粉料与石墨坩埚壁的物质交换作用，生长过程过程中碳硅比在反应腔内各处的分布并不是均一的。对于沿晶体径向的生长面来说，中间部分碳硅比较低，四周由于与临近的石墨坩埚壁的物质交换，气相中含碳元素更多，使得碳硅比较高。这种径向的碳硅比不均分布也会使得沿碳化硅晶体径向的氮元素掺杂浓度与导电性存在一定差异。

发明内容

本发明目的是提供了一种降低氮掺杂整体不均匀性的n型碳化硅晶体的生长方法。

本发明通过以下技术方案实现：

一种降低氮掺杂整体不均匀性的n型碳化硅晶体的生长方法，包括如下步骤：

步骤1、在坩埚中填入碳化硅粉料并安装碳化硅籽晶，将坩埚放入晶体生长炉中，待用；

步骤2、将晶体生长炉抽真空到10^-5-10^-9atm，加热到500-1200℃，维持0.5-2h；