[发明专利]一种降低碳化硅粉体中氮杂质含量的方法

说明书

本发明公开一种降低碳化硅粉体中氮杂质含量的方法，属于晶体生长领域，该方法采用了高温时与氮元素发生化学反应的除氮物质，所形成的氮化物在碳化硅合成温度范围内以稳定的形态存在，有效避免氮杂质进入碳化硅晶格中，突破了目前传统的碳化硅原料合成方式，实现了低氮含量的碳化硅原料合成，其氮含量低于2×10¹⁶个/cm³，该原料尤其适于高纯半绝缘SiC单晶的生长。

技术领域

本发明涉及晶体生长领域，特别是涉及一种降低碳化硅粉体中氮杂质含量的方法。

背景技术

作为第三代半导体材料，碳化硅(SiC)单晶具有禁带宽度大，抗辐射能力强，击穿电场高，介电常数小，热导率高，电子饱和漂移速度高，化学稳定性高等独特的特性，可以用来制造各种耐高温的高频大功率器件，应用于硅器件难以胜任的场合，被认为是制造光电子器件、高频大功率器件、电力电子器件理想的半导体材料。在白光照明、光存储、屏幕显示、航天航空、高温辐射环境、石油勘探、自动化、雷达与通信、汽车电子化等方面有广泛应用，尤其在国防军事上有着重要的战略地位，因此受到各国的高度重视。

目前，生长SiC晶体最有效的方法是物理气相传输法(Physical VaporTransport，即PVT法)，且在升华系统中形成的晶体具有较低的缺陷水准，因此也是主要商业化量产的技术。在采用PVT法生长SiC晶体时，生长设备、石墨元件和保温材料无法避免受到氮杂质的污染，这些材料会吸附大量的氮杂质，从而导致所生长的SiC晶体中氮杂质含量较高。而用于晶体生长的原材料——SiC粉体，目前商业化生产的高纯SiC粉体原料纯度一般只能达到99.999％的纯度，其中的氮含量大都在5×10¹⁶个/cm³以上的水平，严重影响其后续产品——高纯半绝缘碳化硅单晶中的氮含量。因此，降低粉体原料中氮杂质含量，对于制备高纯半绝缘碳化硅晶体具有重要的意义。

目前通用的高纯碳化硅粉体合成技术，主要采用高纯硅粉和高纯碳粉高温固相合成，即自蔓延高温合成。

如中国专利CN102701208A通过的方法是将高纯硅粉和高纯碳粉混合均匀后，然后进行高真空热处理，即采用高纯惰性气体在不同压力和不同温度下抽真空清洗，可以获得氮含量在15ppm以下的高纯碳化硅粉体(氮浓度约1.5×10¹⁸个/cm³)，但远高于当前高纯粉料对氮含量的要求。

中国专利CN103708463A公开了公斤级高纯碳化硅粉的制备方法，该方法首先进行坩埚镀膜预处理，先镀碳膜然后镀碳化硅膜，然后将硅粉和碳粉混合均匀后放入中频加热炉，升温通入氩气、氦气等气体，保温一定时间后降温，即可得到公斤级高纯碳化硅粉料，但氮杂质浓度仍未得到有效降低。

中国专利CN101302011A公开了用于半导体单晶生长的高纯碳化硅粉的人工合成方法，主要采用二次合成方法，将硅粉和碳粉混合后，第一次先低温1500℃合成，然后将一次合成的粉料混合均匀后升高温度到1800-2000℃进行二次合成，该方法可有效降低硅粉和碳粉中的部分杂质元素，但对于降低氮元素而言并未采取针对性的措施，第一次合成过程中氮元素已经参与反应并均匀掺入了碳化硅晶格中，因此该方法不能有效降低氮杂质的含量。

中国专利CN103508454B也存在上述专利中同样的问题，即未采取针对性措施抑制氮元素参与反应，导致氮元素在碳与硅原料开始反应时就进入了晶格。

因此，降低碳化硅粉体氮杂质含量，对于制备高纯半绝缘SiC晶体具有重要的意义。

发明内容

为解决传统自蔓延合成SiC粉体存在的氮杂质浓度过高的问题，本发明提供一种可用于高纯半绝缘SiC单晶生长用的低氮杂质浓度的碳化硅粉体合成方法。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种降低碳化硅粉体中氮杂质含量的方法，包括以下步骤，