[发明专利]一种用于生长接近平衡态SiC单晶的坩埚及SiC单晶的生长方法

说明书

本发明涉及一种用于生长接近平衡态SiC单晶的坩埚及SiC单晶的生长方法。该坩埚包括外坩埚和内坩埚；所述外坩埚为发热体，内坩埚为生长坩埚；所述外坩埚和内坩埚之间的间距为5～10mm。本发明提供的一种用于生长接近平衡态SiC单晶的坩埚，将发热体与生长坩埚分开，外坩埚起发热体的作用，内坩埚为生长坩埚，外坩埚的热量主要通过辐射方式传输到内坩埚中，内坩埚具有径向温度梯度和轴向温度梯度小的特点，采用新型坩埚，单晶生长在接近平衡态的条件下进行，因此生长的单晶缺陷密度低，适合于培养高质量SiC单晶。

技术领域

本发明涉及一种用于生长接近平衡态SiC单晶的坩埚及SiC单晶的生长方法，属于晶体生长技术领域。

背景技术

碳化硅(SiC)半导体又称宽禁带半导体或第三代半导体，与第一代半导体Si和第二代半导体GaAs相比，其具有硬度高(仅次于金刚石)、热导率高(4.9W/cm·K)、热膨胀系数低(3.1-4.5×10^-6/K)、禁带宽度大(2.40-3.26eV)、饱和电子漂移速度高(2.0-2.5×10⁷cm/s)、临界击穿场强大(2～3×10⁶V/cm)、化学稳定性高、抗辐射能力强等优异性能。这些优异的性能使SiC半导体器件能在高温、高压、强辐射的极端环境下工作，在电力电子和微波通信领域具有广阔的应用前景，并对未来半导体产业的发展产生重要影响。

生长SiC单晶的主要方法包括物理气相传输法、高温化学气相沉积法、液相法。其中，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籽晶粘接在石墨坩埚盖上，石墨坩埚内装有作为生长原料的SiC粉末，生长过程中籽晶温度控制在2100℃到2200℃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。

目前，SiC单晶衬底已经用于制备高功率半导体照明LED、高电子迁移率晶体管、肖特基二极管、金属氧化物半导体场效应管等半导体器件，但是器件的性能稳定性和长期工作的可靠性仍然受到衬底材料中结构缺陷的影响。如何降低SiC单晶中的结构缺陷，获得具有高结构完整性的SiC单晶，对于晶体生长工作来说是一个严峻的挑战，同时也是一项长期而艰苦的研究课题。

根据单晶生长过程中缺陷的形成机理，籽晶中的缺陷容易遗传到新生长的单晶中。因此在晶体生长过程中，通常生长的单晶质量一般比籽晶的质量要差。而为避免生长的单晶一代比一代劣化，需要优化坩埚和温度场设计，培养高质量籽晶，使籽晶质量一代比一代更加完美。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种用于生长接近平衡态SiC单晶的坩埚。传统的SiC单晶生长的普通坩埚，坩埚本身具有双重功能，即具有发热体的功能和生长坩埚的功能。本发明的新型坩埚，将发热体与生长坩埚分开，外坩埚起发热体的作用，内坩埚为生长坩埚。

本发明还提供一种利用上述新型坩埚进行高质量SiC单晶的生长方法。

术语说明：

接近平衡态：在晶体生长过程中，气相处于饱和状态，籽晶既不生长也不分解，为平衡态；气相处于略饱和状态，籽晶处于非常缓慢的生长状态，籽晶的生长速度为50～100μm/hr(50～100微米/小时)，为接近平衡态。

本发明的技术方案如下：

一种用于生长接近平衡态SiC单晶的坩埚，包括外坩埚和内坩埚；所述外坩埚为发热体，内坩埚为生长坩埚；所述外坩埚和内坩埚之间的间距为5～10mm。

根据本发明优选的，所述外坩埚包括均为石墨材质的外坩埚体和外坩埚盖；其中，所述外坩埚体的上端均匀分布4～10个螺孔，所述外坩埚盖相应均匀分布4～10个通孔，石墨螺钉贯穿螺孔、通孔将外坩埚体与外坩埚盖密封连接。