[发明专利]高质量高纯半绝缘碳化硅单晶、衬底及其制备方法

说明书

本申请公开了一种高质量高纯半绝缘碳化硅单晶、衬底及其制备方法，属于半导体材料领域。该高纯半绝缘碳化硅单晶的制备方法将碳化硅原料置于坩埚内升华为升华原料，所述升华原料利用坩埚内的轴向温度梯度气相传输至一级籽晶进行一级长晶，即制得所述高纯半绝缘碳化硅单晶；其中，所述碳化硅原料与所述一级籽晶之间至少设置一个过渡籽晶，所述过渡籽晶使得至少部分升华原料进行一次长单晶‑再升华过程。本申请的制备方法可以使用低纯度的碳化硅原料制得极高纯度的半绝缘碳化硅单晶，同时能兼顾提升高纯半绝缘碳化硅单晶的生长质量，制备成本低；且本申请制得的高纯半绝缘碳化硅单晶及其衬底无或少量缺陷、纯度高、质量高和均匀性好。

技术领域

本申请涉及一种高质量高纯半绝缘碳化硅单晶、衬底及其制备方法，属于半导体材料领域。

背景技术

碳化硅单晶具有禁带宽度大、热导率高、临界击穿场强高等优异的物理性能。特别的，高纯半绝缘碳化硅单晶衬底具有纯度高、电阻率高等特点，在高频下能够有效降低器件的介质损耗并减少寄生效应，因而成为高频、微波器件的优选材料。

高纯半绝缘碳化硅单晶制备的技术难点在于纯度和质量的控制。生长高纯度的碳化硅单晶首要需要高纯度的碳化硅粉料，而碳化硅粉料中的氮、硼、铝等杂质不易去除。其次，碳化硅粉料随着碳化硅单晶生长而不断损耗，造成碳化硅单晶生长过程中的碳化硅结晶质量变化，影响碳化硅单晶质量的一致性和稳定性。

目前，高纯度碳化硅粉料的制备技术仍是难点，碳化硅粉料中的杂质仍会在升华过程中释放并引入到碳化硅单晶中，影响到碳化硅单晶的纯度及电阻率等关键性能指标。已有的技术无法完全满足现有高纯半绝缘碳化硅单晶对粉料纯度的要求，且高纯度碳化硅粉料制备成本颇高。

此外，碳化硅粉料纯度提高的同时，对碳化硅粉料粒度的控制减弱，同时兼顾碳化硅粉料的粒度、晶型等指标，从而影响到碳化硅单晶的质量；这会影响到碳化硅单晶生长质量，也即目前的技术尚无法很好的同时兼顾高纯半绝缘碳化硅单晶的纯度和质量要求。

高纯度碳化硅单晶生长过程中，碳化硅粉料不断升华损耗、碳化硅晶体不断生长延伸至高温区，导致碳化硅晶体轴向的结晶质量和纯度呈不均匀不稳定状态，造成碳化硅衬底均匀性和一致性较差等问题。

随着5G通讯对射频微波器件的需求不断增加，下游射频器件对上游的高纯半绝缘碳化硅衬底纯度和质量要求不断提升。因此，如何同时解决上述碳化硅单晶的纯度和质量两方面的问题，获得具有高度一致和稳定质量的高纯半绝缘碳化硅单晶衬底，成为学术界和产业界共同关注的话题。

发明内容

为了解决上述问题，本申请提供了一种高纯半绝缘碳化硅单晶及其制备方法。该制备方法既能解决高纯半绝缘碳化硅单晶生长的纯度问题，同时能兼顾提升高纯半绝缘碳化硅单晶的生长质量；并且该方法制得的高纯半绝缘碳化硅单晶及其衬底无或少量缺陷、纯度高、质量高和均匀性好。

该高纯半绝缘碳化硅单晶的制备方法包括：将碳化硅原料置于坩埚内升华为升华原料，所述坩埚内的轴向温度梯度使得所述升华原料气相传输至一级籽晶进行一级长晶，即制得所述高纯半绝缘碳化硅单晶；

其中，所述碳化硅原料与所述一级籽晶之间至少设置一个过渡籽晶，所述过渡籽晶使得至少部分升华原料进行长单晶-再升华过程。

可选地，所述碳化硅原料与所述一级籽晶之间至少设置一个过渡籽晶，即所述坩埚内的升华原料气相传输至一级籽晶的路径中至少设置一个过渡籽晶。

可选地，所述过渡籽晶为沿所述坩埚的径向延伸的片状结构。

进一步地，所述过渡籽晶至少将所述坩埚形成的长晶腔分隔为原料腔和一级长晶腔。

可选地，所述长单晶-再升华过程包括步骤：