[发明专利]一种高纯半绝缘碳化硅单晶的制备方法

说明书

本发明属于晶体生长技术领域，具体涉及一种高纯半绝缘碳化硅单晶的制备方法，本发明通过在原料中降低电活性杂质的同时引入原子尺寸较大的IVA族元素，晶体生长过程中采用掺杂SiC原料长晶，将适量的IV族元素引入SiC晶体中，从而提高晶体中本征点缺陷的浓度，实现对浅能级杂质的充分补偿，实现SiC晶体的半绝缘特性。使用本发明生长高纯半绝缘SiC晶体无需通过快速降温实现，从而减小了晶体应力，提高了晶体质量；此外，通过控制掺杂浓度可以很好的控制引入到晶体中的本征点缺陷浓度，从而实现了对晶体电阻率的调控。

技术领域

本发明属于晶体生长技术领域，具体涉及一种高纯半绝缘碳化硅单晶的制备方法。

背景技术

高纯半绝缘SiC单晶衬底具有的高电阻率、高热导率等优异性能，特别是SiC与GaN两种材料间较低的晶格失配度，使高纯半绝缘SiC单晶衬底成为AlGaN/GaN等高频晶体管的优选衬底材料。为了制备高纯半绝缘SiC单晶衬底，需要控制生长SiC单晶所用的SiC原料的纯度，以使SiC单晶中的电活性杂质浓度达到较低的含量，进而实现其半绝缘特性。然而，SiC单晶的电学性能需要同时平衡晶体中的浅施主杂质(N)和浅受主杂质(B、Al)，以使两种不同浅能级杂质提供的载流子保持在尽量低的浓度水平。通常SiC单晶中较难去除的杂质为浅能级N杂质，其在禁带中引入其引入的浅能级位置在导带下0.09eV处(E_C-0.09eV)，这些N的浅能级在晶体中提供多余的电子，使晶体呈n型低阻特性。

为了尽量降低SiC单晶中的净载流子浓度，CREE提出，通过在SiC晶体生长过程中快速降温实现向晶体中注入本征点缺陷，通过点缺陷引入的深能级作为多余载流子的俘获中心，实现SiC晶体的半绝缘特性。但快速降温的过程中晶体会遭受较大的热冲击，从而在晶体中引入较大内应力，导致晶体在加后续工过程中开裂率增加、衬底因内应力较大导致弯曲度、翘曲度等面型质量较差，进而影响后续GaN外延层及器件的质量。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种高纯半绝缘碳化硅单晶的制备方法，本发明通过在原料中降低电活性杂质的同时引入原子尺寸较大的IVA族元素，晶体生长过程中采用掺杂SiC原料长晶，将适量的IV族元素引入SiC晶体中，从而提高晶体中本征点缺陷的浓度，实现对浅能级杂质的充分补偿，实现SiC晶体的半绝缘特性。因此，使用本发明生长高纯半绝缘SiC晶体无需通过快速降温实现，从而减小了晶体应力，提高了晶体质量；此外，通过控制掺杂浓度可以很好的控制引入到晶体中的本征点缺陷浓度，从而实现了对晶体电阻率的调控。

本发明所述的一种半绝缘碳化硅单晶的制备方法，其具体步骤为：

(1)将Si粉与C粉混合均匀，备用；

(2)将IVA族元素置于石墨容器内，备用；

(3)将盛放IVA族元素的石墨容器放置在石墨坩埚底部中心的位置，然后将混合均匀的Si粉和C粉填充于石墨坩埚内，使石墨容器埋于Si粉和C粉中；

(4)将石墨坩埚放置于SiC原料合成炉内后，密封炉膛；

(5)将炉膛内的压力抽真空至10^-3Pa并保持2-5h后，逐步向炉腔内通入保护气氛；

(6)以30-50mbar/h的速率将炉膛压力提升至600-800mbar，同时以10-20℃/h的速率将炉膛内的温度提升至1900-2100℃，在此温度下保持20-50h，完成原料合成过程；

(7)原料合成过程结束后，停止加热炉膛，使炉膛温度自然降低至室温后，打开炉膛取出石墨坩埚，即可得到含有IVA族元素的SiC合成料；

(8)使用含有IVA族元素的SiC合成料进行SiC单晶生长。