[发明专利]一种低氮含量SiC单晶生长装置及其应用

说明书

本发明涉及一种低氮含量SiC单晶生长装置及其应用。本发明的生长装置，包括感应线圈、石英管和设置在石英管两端的上密封法兰、下密封法兰；石英管、上密封法兰和下密封法兰围成生长腔；所述感应线圈套设在石英管的外侧壁上；所述感应线圈的外侧套设有水冷罩；所述生长腔内设置有石墨托盘和石墨坩埚；石墨坩埚包裹保温材料后设置在石墨托盘上；所述石墨坩埚的顶部开口设置有坩埚密封盖。本发明的生长装置的单层石英管结构利于加速保温材料中氮的解吸附，可大幅度降低SiC单晶中氮的含量。

技术领域

本发明涉及一种低氮含量SiC单晶生长装置及其应用，属于碳化硅生长的技术领域。

背景技术

SiC半导体材料又称为第三代半导体材料，与第一代和第二代半导体材料相比，具有硬度高、热导率高、禁带宽度大、化学稳定性高、抗辐射能力强等优异的综合性能。这些优异性能使SiC半导体材料被用于制备高功率电力电子器件和微波功率器件；在高压电力传输、雷达、微波通信等领域，具有广阔的应用前景，并对未来半导体产业的发展具有深远影响。

物理气相传输法(Physical Vapor Transport-PVT)是目前生长SiC晶体的主流方法，即将SiC晶片贴在石墨坩埚盖上或顶端用作籽晶，石墨坩埚内装有作为生长原料的SiC粉末，生长温度控制在2273K到2673K之间，生长原料分解成气相组分后在石墨坩埚内部轴向温度梯度的驱动下输运到籽晶处结晶生长SiC晶体。

根据导电类型分类：半导体材料有n型，p型和半绝缘型。其中n型为电子导电，p型为空穴导电，半绝缘型半导体材料不导电。杂质对半导体材料的电学性质有非常重要的影响。对于SiC半导体单晶材料，其本征衬底不导电，具有半绝缘性质。为获得n型和p型SiC半导体材料，需要在单晶生长过程分别掺N和Al。由于SiC单晶生长过程中需要使用石墨坩埚和多孔石墨保温材料，B为石墨伴生的杂质，空气中的N则容易被石墨材料所吸附。因此如果不经过特别处理，生长的SiC单晶中常常含有较高的B和N杂质，使单晶的电学性质不容易控制。

与石墨伴生的B杂质，通过在高温下杂质与卤素元素的反应，容易去除，如在高温下，通以HCl气体，就可以去除石墨中的B杂质。而N，则是SiC单晶生长过程中最难去除的杂质。由于N导致SiC具有n型导电性质，它可以对p型材料的杂质进行补偿，使p型材料的电学性质难以达到技术要求。因此，无论是生长本征半绝缘SiC还是生长p型SiC单晶，N都是必须要去除的杂质。

中国专利文献公开号CN107723798A公开了一种制备高纯半绝缘SiC单晶生长装置和方法。该装置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，在石墨坩埚外壁形成强制对流层；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。但实际上，SiC单晶生长发生在2000℃以上，生长过程中如果大流量通以载气，一方面对SiC气相物种造成大浓度的稀释，另一方面造成SiC气相物种大量流失。因此采用这种方法，实际上无法实现SiC单晶以正常的速度生长。

现有技术中的SiC单晶生长装置多采用双层石英管结构的生长腔，是在两层石英管之间设置冷却水并在外层石英管外侧设置加热线圈；由于双层石英管之间通恒温冷却水，管壁的温度在60-80℃之间；保温材料中吸附的气体不容易解吸附，最终导致SiC单晶中氮的含量较高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种低氮含量SiC单晶生长装置。

本发明还提供一种利用上述低氮含量SiC单晶生长装置生长SiC单晶的方法。

本发明的技术方案为：