[发明专利]一种制备高质量的半绝缘碳化硅单晶衬底的方法

说明书

本申请公开了一种制备高质量半绝缘碳化硅单晶衬底的方法，属于半导体材料领域。该制备方法通过对高纯碳化硅单晶晶片进行高温快速热处理技术和表面激光退火技术，将引入到高纯半绝缘碳化硅衬底表面一定区域内的点缺陷进行清除，同时保留距离衬底表面的内部点缺陷，从而实现在无缺陷的碳化硅单晶衬底表层洁净区并保留碳化硅单晶衬底的半绝缘特性，且制备的GaN外延层的获得最佳的质量。

技术领域

本申请涉及一种制备高质量的半绝缘碳化硅单晶衬底的方法，属于半导体材料领域。

背景技术

半绝缘碳化硅(碳化硅)单晶衬底是制备GaN高频微波器件的优选半导体基底材料，这一方面取决于半绝缘碳化硅单晶衬底的高电阻率等优异性能，能够制备性能优异的电子器件；另一方面取决于碳化硅和GaN晶格常数的较高的匹配度，能够使异质外延层获得良好的结晶质量。

在实现方法上，半绝缘碳化硅单晶衬底的制备有掺杂和高纯两种实现方式。通过掺杂高浓度的钒元素引入大量深能级中心，将费米能级钉扎在禁带中心从而实现半绝缘特性。目前已有研究表明，高浓度的钒掺杂会在制备的器件中俘获电子从而引起背栅效应，造成器件性能降低甚至失效。随着技术的发展，通过降低晶体中的浅能级杂质浓度减少晶体中的有效载流子浓度，同时引入一定数量的本征点缺陷作为深能级中心进行补偿从而实现半绝缘特性的高纯半绝缘碳化硅单晶衬底成为主流。

高纯半绝缘碳化硅单晶衬底的高阻特性的实现建立在晶体内部低浓度的电活性杂质和一定浓度的本征点缺陷如碳空位及其复合体的基础上。本征点缺陷是实现高纯半绝缘晶体的电学特性的不可或缺的特征，然而，这些点缺陷本身会引入较大的晶格应力，造成晶格畸变，从而破坏了碳化硅单晶晶格的完整性，在一定程度上影响碳化硅单晶的晶格参数。考虑到GaN采用碳化硅单晶衬底作为外延的主要原因之一即是两者晶格参数较小的失配度，点缺陷的引入将会导致GaN和碳化硅的晶格适配度增加，进而降低GaN外延层的质量。

发明内容

为了解决上述问题，本申请提供了一种制备高质量的半绝缘碳化硅单晶衬底的方法。本申请的制备方法平衡了GaN外延层的晶体质量与高纯碳化硅晶体的电学特性之间的关系。该新的高纯半绝缘碳化硅衬底的制备方法，提高了半绝缘碳化硅单晶衬底的质量及其与GaN外延层的晶格匹配度，同时不影响高纯半绝缘碳化硅单晶衬底的物理性能实现。

该制备高质量的半绝缘碳化硅单晶衬底的方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

1)选择高纯碳化硅单晶片；

2)将高纯碳化硅单晶片进行高温快速热处理和表面退火处理，即制得所述的高质量的半绝缘碳化硅单晶衬底；所述的高质量的半绝缘碳化硅单晶衬底至少包括碳化硅单晶衬底表层和碳化硅单晶衬底主体层。

可选地，所述碳化硅单晶衬底表层厚度与所述碳化硅单晶衬底厚度的比值不大于31％。进一步地，所述碳化硅单晶衬底表层厚度与所述碳化硅单晶衬底厚度的比值为9％-31％。更进一步地，所述碳化硅单晶衬底表层厚度与所述碳化硅单晶衬底厚度的比值下限选自10％、15％、20％、25％或30％，上限选自10％、15％、20％、25％或30％。

可选地，所述半绝缘碳化硅单晶衬底的厚度为490-510μm。

可选地，所述半绝缘碳化硅单晶表层的厚度不大于150μm。优选地，所述半绝缘碳化硅单晶衬底经退火处理的表层厚度为20-150μm。优选地，所述半绝缘碳化硅单晶衬底经退火处理的表层厚度为50-150μm。进一步地，该半绝缘碳化硅单晶衬底经退火处理的表层厚度的下限选自55μm、70μm、90μm、110μm、130μm或140μm，上限选自55μm、70μm、90μm、110μm、130μm或140μm。更进一步地，所述半绝缘碳化硅单晶衬底经退火处理的表层厚度为80-120μm。

可选地，所述高温快速热处理包括快速升温加热阶段，所述快速升温加热阶段包括：以30-100℃/s的速率升温至1800-2300℃，保持60-600s。