[发明专利]一种高效率制备高纯半绝缘碳化硅单晶生长装置及方法

说明书

本发明公开了一种高效率制备高纯半绝缘碳化硅单晶生长装置及方法。本方法通过设计带有惰性气体石墨导流管和石墨限流罩结构的碳化硅单晶生长装置而实现。惰性气体在该结构作用下产生强制对流，石墨坩埚外壁形成强制对流层；当气体对流的流速和流量较大时，可以抑制扩散作用对浓度分布的影响。在本方法中，强制对流层的定向运动可以抑制石墨坩埚外部的氮气分子扩散进入石墨坩埚。因此，保温系统中的吸附氮作为污染源的问题得到了解决。该方法不需要使用惰性气体大气隔离室系统，也不需要进行很长时间的炉体抽真空的除氮气工艺处理。本发明具有高效率、设备简易的两个特点。可在目前本领域的多数碳化硅单晶炉系统中推广使用。

技术领域

本发明涉及单晶生长技术，特别是涉及一种高效率制备高纯半绝缘碳化硅单晶生长装置及方法。

背景技术

碳化硅是典型的宽禁带半导体材料，是继硅、砷化镓之后的第三代半导体材料。与硅、砷化镓相比，碳化硅材料具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率等优异性能，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微波器件五倍功率密度的功率。因此，半绝缘碳化硅单晶是当前制备高性能微波功率器件的最佳衬底材料。可以广泛应用于5G通信、雷达等方向。

研究表明，为了获得实用性，碳化硅器件应具有至少1500欧姆·厘米（Ω·cm）的衬底电阻率，以便实现RF无源性能。通常，大多数技术生长的碳化硅单晶中由于偶然掺入的氮杂质浓度通常在（1-2）×10¹⁷cm^-3量级，因此晶体导电能力太高而不能用于微波功率器件的制备。为获得半绝缘电学性能的碳化硅晶体，标准方法是一方面通过一系列氮杂质去除技术手段，将碳化硅粉源中以及单晶生长炉中的氮杂质含量降低；另一方面在晶体中引入深能级，以形成对浅施主杂质或浅受主杂质的补偿，使半导体材料的费米能级钉扎于深能级附近，获得高电阻率，即“半绝缘”性能。当前国际上存在两种类型的半绝缘碳化硅晶片，其中一种为钒元素（V）掺杂的“掺钒半绝缘碳化硅”，即在晶体中掺入钒元素，该元素可同时起到深施主和深受主的功能，用于补偿晶体中主要存在的浅能级杂质氮（N）、硼（B）、铝（Al）等；另一种为非故意元素掺杂的“高纯半绝缘碳化硅”，它通过晶体生长工艺及退火工艺处理，形成高浓度的Vc、Vsi、VcVsi、VcCsi等类型的深能级本征点缺陷，用于补偿浅能级杂质氮（N）、硼（B）、铝（Al）等。然而，已有研究表明，掺钒半绝缘碳化硅晶体在高温时，钒元素会析出导致背栅效应从而降低碳化硅微波功率器件的性能。因此，高纯半绝缘碳化硅衬底是目前制备碳化硅微波功率器件的首选。

目前，制备碳化硅单晶体的常用方法是物理气相传输法（PVT）。即将碳化硅粉料放在密闭的石墨坩埚中，在坩埚顶部放置碳化硅籽晶。合理设计单晶炉热场分布，使粉源区温度高于籽晶区温度，且粉源区达到碳化硅粉源升华温度点。碳化硅粉源升华产生的Si、C、Si₂C、SiC₂、SiC分子经扩散或对流效应被输运至籽晶区附近。由于籽晶区温度较低，上述气氛形成一定的过冷度并在籽晶表面结晶为SiC晶体。

与低阻碳化硅单晶生长工艺相比，获得高纯半绝缘碳化硅单晶的关键技术之一是需要大大降低生长系统中存在的氮、硼、铝、钒等杂质含量。除杂工艺中，氮元素的去除工艺难度最大。由于单晶炉系统中存在大量的石墨保温毡材料，保温毡呈多孔疏松状，与活性炭类似，其吸附面积巨大。同时，大气中氮元素占主导，因此在炉腔暴露于大气环境时，保温系统容易吸附大量的氮气分子。在高温时（粉源合成高温阶段、单晶生长高温阶段），保温系统中已吸附的氮气将逐步产生脱附，成为单晶炉内主要的氮污染来源。

针对上述问题，该领域中的处理措施主要有两种：其一、通过长时间的炉腔抽真空处理，使碳毡材料表面的吸附氮能够逐渐脱附；其二、使用惰性气体大气隔离室系统，避免碳毡保温暴露于大气环境（见国内专利CN 104775149A）。然而，上述两种方式都存在一定的缺陷。