[发明专利]一种制备p型4H-SiC单晶的坩埚结构与装置与方法

说明书

本发明公开了一种制备p型4H‑SiC单晶的坩埚结构与装置与方法，坩埚结构包括第一坩埚，第一坩埚用于盛放生长物料；第二坩埚，用于盛放掺杂物料；第一坩埚沿中轴线设有贯通的连接通道，所述连接通道的中轴线与所述第一坩埚的中轴线重合，所述连接通道的侧壁与所述第一坩埚的侧壁形成开口向上的物料放置部；第二坩埚设置于第一坩埚的下方，第二坩埚的开口与连接通道相通。利用本发明中的坩埚结构可避免在双线圈加热中热的生长原料气氛反向输运到冷的掺杂源端；本发明通过掺杂金属Ce和气体H₂来稳定4H晶型，而不是采取常用的Al‑N共掺的方法，保证Al掺杂量的同时稳定住4H晶型，以降低电阻率。

技术领域

本发明涉及碳化硅单晶生长领域，尤其涉及一种制备p型4H-SiC单晶的坩埚结构与装置与方法，以解决SiC晶体中Al掺杂不均匀的问题。

背景技术

碳化硅（SiC）是目前发展较为成熟的第三代半导体代表材料。因其具有禁带宽度大、临界击穿场强大、热导率高等优良性质，在制备高温、高频、大功率、抗辐射电子器件方面前景广大。相较其它SiC晶型，4H-SiC由于其更大的带隙和电子迁移率更受人们的关注。垂直型器件结构愈发成为设计主流，为了降低器件的导通电阻，要求SiC单晶衬底电阻率尽可能减小。目前n型4H-SiC的电阻率可以达到15-28 mΩ•cm，已经应用到功率器件中。而目前物理气相传输法（PVT）制备的p型4H-SiC的电阻率为2.5 Ω•cm，并且掺杂的均匀性不好。尽管采用溶液法可以制备出低电阻率（35 mΩ•cm）的p型4H-SiC，但是晶体中助溶剂包裹物较多。考虑到PVT作为生长SiC晶体的主流成熟技术，发展PVT掺杂生长p型SiC晶体的技术是必然和迫切的。

由于Al元素能在SiC中形成最浅的受主能级，所以目前通常选用Al作为掺杂元素来制备p型SiC单晶。目前掺杂Al的p型4H-SiC存在的主要问题包括晶型夹杂、电阻率高和掺杂不均匀等，这三个问题是交织在一起的。由于高温下Al元素的蒸气压高，在生长初期快速释放导致大量缺陷产生因而籽晶失效，而在生长后期，掺杂源耗尽导致所得晶体掺杂不均匀。此外，当重掺杂Al元素生长4H-SiC时，Al原子是取代Si原子的，而Al原子的半径大于Si原子半径，破坏晶格结构，在晶体中容易发生6H-SiC晶型夹杂。为稳定晶型，目前通常采用Al-N共掺技术，但掺氮会补偿空穴，不利于降低电阻率。

中国专利CN112725894公开了一种p型4H-SiC单晶制备方法，按照其描述，推测（如图1所示），发明人期望采用如下的结构设计来实现轴向和径向的掺杂均匀：第一Al源释放器放置在坩埚底部的中区位置，第二Al源释放器由多个相互独立的子Al源释放器组成放置在料面上方且沿坩埚中轴线对称分布。由于采用的是单线圈加热，坩埚内部的温度梯度有限，Al源（一般采用Al₄C₃）在高温下蒸气压过高、耗尽过快的问题不能得到有效解决。

中国专利CN108026663公开了一种采用双线圈加热来制备p型4H-SiC的方法，掺杂源较低的温度有利于实现Al源（Al₄C₃）的缓慢均匀释放，但其结构设计（如图2所示）难以避免硅和碳气体组分从热SiC粉到较冷的Al源端的质量传输，导致碳化硅在Al源端生长。

K. Racka等人（Journal of Crystal Growth 401 (2014) 677–680）报道生长气氛中Ce的存在会稳定4H晶型。

Y.M. Tairov等人报道（Progress in Crystal Growth and Characterization 7(1983) 111-162）高碳/硅比会有助于4H晶型的形成。气氛中通入少量H₂会与石墨坩埚生成碳氢化合物，增加气氛中的碳/硅比。如前所述，Al原子是取代Si原子的位置，气氛中富碳会有利于Al原子的掺杂，降低晶体的电阻率。此外H₂会钝化N₂，减少生长系统残留的痕量N₂掺杂进晶体。

发明内容