[发明专利]一种高纯半绝缘碳化硅衬底的制备方法

说明书

本发明属于新材料加工技术领域，发明人提供了一种全新的高纯半绝缘碳化硅衬底的制备方法，该方法采用正常获得的碳化硅单晶进行粗加工，切割得到厚度为3‑8mm的晶棒，或加工为厚度为300‑800μm的碳化硅晶片之后对上述晶棒或晶片进行高温快速退火从而获得高纯半绝缘碳化硅衬底，该方法避免了在碳化硅晶体生长过程中进行热场调节，而是直接对加工好的高质量碳化硅单晶进行二次高温快速退火加工，从而在晶片中引入本征点缺陷来实现碳化硅单晶的半绝缘特性，获得的半绝缘碳化硅衬底品质好且加工方法简单，效率较之现有技术更高。

技术领域

本发明属于新材料晶体加工领域，具体涉及一种高纯半绝缘碳化硅衬底的制备方法。

背景技术

碳化硅(SiC)单晶具有宽禁带、高热导率、高临界击穿场强和高饱和电子漂移速率等优点，因而成为第三代半导体的核心材料之一。其中，半绝缘SiC单晶衬底在高频下能够有效降低器件的介质损耗并减少寄生效应，因此是高频、微波器件的优选材料。然而，通常的物理气相输运(PVT)法生长碳化硅单晶过程中，由于原料、保温材料及生长设备中含有较高含量的电活性杂质(如氮、硼、铝等)，使生长出的碳化硅单晶中含有较高浓度的载流子并呈导电特性。为了使碳化硅单晶呈现半绝缘特性，通常在晶体生长过程中有意的引入深能级杂质如钒元素，使其俘获载流子而使碳化硅呈现高阻态。然而，高浓度的钒掺杂会在碳化硅单晶中形成沉淀并诱生微管等缺陷，从而影响衬底质量及后续外延及器件的性能。为此，高纯半绝缘碳化硅单晶衬底的制备成为研究热点。然而，高纯半绝缘单晶的生长及其生长所需的高纯碳化硅原料的制备技术难度极大。

在高纯半绝缘碳化硅单晶的研究过程中，CREE提出，可以利用碳化硅中的本征点缺陷作为深能级俘获中心，从而实现碳化硅的半绝缘特性。据此，CREE提出通过控制碳化硅单晶生长界面的热场处于非平衡状态，并在晶体生长结束后进行快速冷却以在晶体中引入本征点缺陷来实现碳化硅单晶的半绝缘特性，但是这一方案依然存在缺陷，体现在：首先，固/气界面的热场调节具有较高的技术难度，且非平衡态的热场条件下易产生缺陷，从而导致晶体质量差等问题；其次，生长结束后的退火具有局限性，因单晶生长腔室内的冷却时间长、速率慢，且晶体厚度较大，难以在晶体内部均匀的引入高浓度本征点缺陷，从而限制了碳化硅晶体的半绝缘特性。

发明内容

根据现有技术存在的不足和空白，本发明的发明人提供了一种全新的高纯半绝缘碳化硅衬底的制备方法，该方法采用正常获得的碳化硅单晶进行粗加工，切割得到厚度为3-8mm的晶棒，也可将碳化硅单晶加工为厚度为300-800μm的碳化硅晶片，之后对上述晶棒或晶片进行高温快速退火从而获得高纯半绝缘碳化硅衬底，该方法避免了在碳化硅晶体生长过程中进行热场调节，而是直接对加工好的高质量碳化硅单晶进行二次高温快速退火加工，从而在晶片中引入本征点缺陷来实现碳化硅单晶的半绝缘特性，获得的半绝缘碳化硅衬底品质好且加工方法简单，效率较之现有技术更高。

与现有技术相比，本发明的最大不同在于采用的退火技术为高温快速热处理，其不同于之前的退火技术的特点在于：(1)快速升温，升温速率可达100℃/s；(2)短时高温处理，处理时间为60s-600s；(3)快速降温，降温速率为100-300℃/s；

在上述条件下，通过快速升温和短时保温在碳化硅晶体中产生Frenkel点缺陷对(空位和自间隙原子)，通过快速降温将高温时产生的缺陷对冻析在晶格中，避免以往慢速退火过程中点缺陷的重新复合湮灭。

本发明的具体技术方案如下：

(1)原材料准备：

将生长出的合格碳化硅单晶进行粗加工，切割得到厚度为3-8mm的晶棒

或将生长出的碳化硅单晶进行加工切片，得到厚度为300-800μm的碳化硅晶片；

上述步骤中切割时可以采用常规的金刚线切割；