[发明专利]基于物理气相传输技术生长碳化硅体单晶方法及其装置

说明书

技术领域

本发明属于晶体生长技术领域，具体涉及一种基于物理气相传输技术生长碳化硅体单晶 方法及其装置。

背景技术

碳化硅(SiC)是一种化合物半导体，具有很多优异的性能，如：热导率非常高(约5.0 W/cm，高于任何已知金属)，因此它非常适合于制作需要在大功率或者高温下操作的电子器 件；高的饱和电子迁移率(约2.7x107cm/s)以及高击穿电场(约3MV/cm)，使得其非常适 合制作高压、高频器件。与此同时，Si-C键结合能大，使得SiC的化学稳定性、抗辐照能力 都非常强。SiC已经成为公认的能够取代第一代半导体Si和第二代半导体GaAs的新一代半 导体材料。此外，六方SiC与GaN的晶格匹配程度高、热膨胀系数相近，是制造高亮度GaN 发光和激光二极管的理想衬底材料。

早在1824年，瑞典科学家Jacob Berzelius(1779-1848)在试图合成金刚石的时候， 就预测了碳-硅键的存在。直至1891年，Edward Goodrich Acheson(1856-1931)，在改进 Berzelius制造金刚石磨料的方法时，使用碳和硅酸铝为原料，得到了大量的SiC。由于这种 方法相对简单高效，而SiC莫氏硬度为9.25，仅次于金刚石和碳化硼，因此这种方法至今仍 用于制作SiC磨料。1955年，J.A.Lely在石墨坩埚中得到了结晶适量很好的SiC晶体(US Pat. No 2845364)，1978年Yu.M.Tairov等人改进了Lely的方法，使用籽晶辅助得到了大块的 SiC晶体(J.Crystal Growth 52(1978)pp209-212；J.Crystal Growth 52(1981)pp 146-150)，被称 为改进的Lely法。改进的Lely法至今仍在广泛使用，用于获得结晶质量较高的SiC块状晶 体。目前用于生长高质量SiC晶体的方法，是基于改进Lely法的物理气相传输(PVT)技 术。

使用常规的物理气相传输技术生长碳化硅体单晶时，坩埚底部盛放料源，一般是碳化硅 颗粒或者碳粉与硅粉的混合物，坩埚顶部粘贴或者固定籽晶；生长过程中坩埚底部为高温区， 坩埚顶部为低温区。如果使用有机物或者无机物将籽晶粘贴至坩埚顶部，由于籽晶和坩埚的 热膨胀系数不一致，在晶体生长过程中，尤其是升温过程中，很容易造成籽晶脱落而导致晶 体生长失败；如果使用由石墨或者金属做成的支架将籽晶固定至坩埚顶部，则晶体生长过程 中籽晶不会脱落，但是由于籽晶周围被石墨或者金属支架覆盖，导致生长的晶体周围出现多 晶环。于此同时，无论使用粘贴籽晶的方法还是支架固定籽晶的方法，都会不可避免地向籽 晶内部施加应力，从而导致生长的晶体内部应力较大。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种基于物理气相传输(PVT)技术的碳化 硅(SiC)体单晶生长方法及其装置。

本发明提供了一种基于物理气相传输技术生长碳化硅体单晶方法，其特征在于，所述基 于物理气相传输技术生长碳化硅体单晶方法中，在基于物理气相传输技术生长碳化硅体单晶 碳化硅单晶过程中，籽晶位于坩埚底部，且位于低温区，原料位于坩埚顶部，且位于高温区。

较佳的，所述碳化硅单晶生长方法中，所述籽晶置于坩埚底部，无需粘贴或者固定。

较佳的，所述碳化硅单晶生长方法中，所述原料为SiC多晶晶锭。

优选的，所述碳化硅单晶生长方法中，所述碳化硅单晶的生长过程分为两个阶段：第一 阶段使用常规物理气相传输技术生长碳化硅，但不使用籽晶，即在坩埚上部(低温区)形成 多晶碳化硅晶锭作为第二阶段的原料；第二阶段通过改变坩埚与感应线圈之间的相对位置将 坩埚内温度梯度倒转，即坩埚上部为高温区，下部为低温区，并在坩埚底部放置籽晶，进行 基于物理气相传输技术生长碳化硅体单晶。

更优选的，所述碳化硅单晶生长方法包括如下步骤：

1)采用PVT方法生长多晶碳化硅晶锭；

2)保持多晶碳化硅晶锭与坩埚上半部分的完整性，将坩埚下半部分清理干净，或者更 换为未使用过的坩埚下半部分，并在坩埚底部放入籽晶，然后将坩埚上下两个部分 组合；

3)调整晶体生长炉内线圈与坩埚的相对位置，使得坩埚内温度梯度反转，即坩埚底部 为低温区，坩埚顶部为高温区，同时保持低温区温度、高温区温度以及坩埚内温度 梯度，并在坩埚底部放置籽晶，经过晶体生长，可以在坩埚底部得到一个晶碳化硅 单晶晶锭。