[发明专利]一种制备高纯半绝缘碳化硅晶体的方法

说明书

技术领域

本发明涉及碳化硅晶体制备方法领域，特别涉及一种制备高纯半绝 缘碳化硅晶体的方法，该方法在没有掺杂深能级补偿元素的情况下生长 高纯半绝缘碳化硅晶体。

背景技术

以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的宽禁带半导体材料，是继 硅(Si)、砷化镓(GaAs)之后的第三代半导体。与Si和GaAs传统半导 体材料相比，SiC具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高 键合能等优异性能，在高温、高频、高功率及抗辐射器件方面拥有巨大 的应用前景。半绝缘碳化硅制备的晶体管能够在高达10GHz频率下产生 超过GaAs微波部件五倍功率密度的功率。熟悉微波器件技术的人认识到， 在使用高电阻率和高结晶质量半绝缘的碳化硅衬底的情况下才能制备出 高性能的微波器件，才能够应用于如蜂窝电话的通信器件以及强大的机 载雷达、舰载雷达等应用领域。

SiC晶体制备的方法主要为物理气相传输法(Physical Vapor Transport Method)。将坩埚内的温度升至2000～2300℃，使得SiC原料 3升华，升华产生气相Si₂C、SiC₂和Si，将籽晶5置于比SiC原料3温度 低的坩埚上部，升华所产生的气相在温度梯度的作用下从原料的表面传 输到温度较低的籽晶处，并在籽晶上结晶形成块状晶体。

目前主要通过在SiC带隙内形成深能级，通过深能级补偿非故意掺 杂形成的浅施主和浅受主浓度之差值的方式来提高碳化硅晶体的电阻 率。形成深能级的方法有：(1)加入金属掺杂剂，特别是钒，来形成深 能级补偿浅能级杂质；(2)通过形成本征点缺陷等相关深能级补偿浅能 级杂质。然而，通过在晶体中引入钒作为深掺杂能级，会影响微波器件 的性能。为了消除上述影响，通常会引入晶体的二次退火，但是二次退 火所能够增加的晶体点缺陷浓度较小，并且生产效率较低，不适应于较 大规模的碳化硅晶体生产需求。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种制备无掺杂 的高纯半绝缘碳化硅晶体的方法，具体说就是通过物理气相传输法 (Physical Vapor Transport Method)制备无深能级补偿元素掺杂的高 纯半绝缘SiC晶体，并确保其在随后的使用过程中保持半绝缘性能。除 了提高晶体的电阻率外，本发明进一步的优点是减少晶体微管数量。

为实现上述目的，本发明一种制备高纯半绝缘碳化硅晶体的方法， 该方法在没有掺杂深能级补偿元素的情况下生长高纯半绝缘碳化硅晶 体，该方法包括：

使用物理气相传输法生长碳化硅晶体，在生长中使碳化硅晶体在非 热力学平衡状态下结晶生长，并且使碳化硅晶体的结晶速度达到或接近 临界速度，从而在碳化硅晶体中生成比热力学平衡条件下结晶碳化硅晶 体更高的原生点缺陷浓度；并且

将生长结束的碳化硅晶体冷却到1000℃-1500℃范围内，以保留碳化 硅晶体生长过程中形成的原生点缺陷，从而获得半绝缘碳化硅晶体，其 中半绝缘碳化硅晶体的原生点缺陷浓度高于碳化硅晶体中的非故意掺杂 形成的浅施主和浅受主浓度之差。

进一步，所述临界速度的范围为0.6mm/h-4mm/h。

进一步，所述原生点缺陷为空位、空位集团和/或反位。

进一步，所述半绝缘碳化硅晶体的晶型包括3C、4H、6H和/或15R。

进一步，所述生长结束的碳化硅晶体在5分钟～120分钟时间内快速 冷却到1000℃-1500℃范围内。

进一步，所述碳化硅晶体在非热力学平衡状态下结晶生长的方法包 括降低碳化硅晶体生长界面处的结晶温度、提高碳化硅原料处的温度、 和/或降低生长室内压力。

进一步，所述降低碳化硅晶体生长界面处的结晶温度至1800-2200℃ 范围内、提高碳化硅原料处的温度至2300-2600℃范围内、和/或降低生 长室内压力至0.01-500Pa范围内。

进一步，将所述生长结束的碳化硅晶体快速冷却包括采用以下方式： 关闭加热器、充入流动气体、移除保温材料、和/或将晶体由高温区移至 低温区。