[发明专利]一种高纯半绝缘碳化硅单晶及其高效制备方法和应用

说明书

本申请公开了一种高纯半绝缘碳化硅单晶及其高效制备方法和应用，属于半导体材料领域。该制备方法包括：组装和长晶，碳化硅多晶块原料设置孔道结构，孔道结构靠近籽晶的一端设置气相出口，原料区内的部分气相原料通过孔道结构自气相出口气相传输至籽晶。本申请以具有孔道结构的碳化硅多晶块制备碳化硅单晶的长晶效率高，制得的碳化硅单晶的质量高、纯度高；利用同一籽晶可以同时生长两块碳化硅单晶锭，两块单晶锭的质量相似、长晶成本低、长晶效率高，长晶路径短、气相传输路径容易控制；通过控制碳化硅单晶的长晶压力变化和压力值，避免了由于碳化硅多晶块的致密性而导致制备高纯半绝缘碳化硅单晶的形核紊乱，提高了碳化硅单晶的长晶质量。

技术领域

本申请涉及一种高纯半绝缘碳化硅单晶及其高效制备方法和应用，属于半导体材料领域。

背景技术

随着5G通讯、新能源汽车等产业的迅猛发展对功率电子器件的需求不断增加，以碳化硅(SiC)半导体为代表的第三代半导体材料，因具有宽禁带、高热导率、高临界击穿场强和高饱和电子漂移速率等优异的物理性能而备受关注。由于SiC单晶制备难度极大，SiC单晶衬底成本高昂，因此如何高效制备低成本的SiC单晶衬底成为解决上述新兴产业对功率器件需求的核心问题。

目前，SiC单晶制备最成熟的制备技术是物理气相输运(PVT)法，即在较低的压力下通过将合成SiC粉料加热至一定温度使其升华并沿温度梯度传输至籽晶处结晶而形成新的SiC单晶。PVT法制备SiC单晶的关键是合理的设计并控制热场条件以使合成粉料升华得到的气相组分有序的传输至籽晶处重新结晶。因此，合成粉料的质量(包括纯度)及气相组分传输路径的控制成为PVT法的技术核心。然而，由于粉料合成过程中引入的杂质污染、粉料粒度、晶型等的控制难度较大，使得PVT法前序工序的粉料合成亦有很大的技术难度；而在2300℃左右的高温及接近真空的低压下，气相组分的传输控制难度同样极大。此外，PVT法的长晶方式是将粉料置于生长腔室下部、籽晶置于粉料之上的生长腔室上部，因此单次的晶体生长仅能实现单一晶体的制备，晶体制备效率较低，这也是SiC单晶成本居高不下的重要原因之一。

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高效制备方法和应用。该高纯半绝缘碳化硅单晶的制备方法以具有孔道结构的碳化硅多晶块制备高纯半绝缘碳化硅单晶的长晶效率高，制得的碳化硅单晶锭的质量高、纯度高；利用同一个籽晶可以同时生长两块碳化硅单晶，成本低、长晶效率高，长晶路径短、气相传输路径容易控制；通过控制碳化硅单晶的长晶的压力变化和压力值，避免了由于碳化硅多晶块的致密性而导致制备高纯半绝缘碳化硅单晶的形核紊乱，提高了长晶质量。

根据本申请的一个方面，提供了一种高纯半绝缘碳化硅单晶的制备方法，所述制备方法包括下述步骤：

1)组装：在坩埚内设置原料区和籽晶，所述原料区放置至少一个与所述籽晶相对的碳化硅多晶块；

2)长晶：将组装完成的坩埚置于长晶炉内，控制长晶炉长晶条件使得所述碳化硅多晶块升华为气相原料，所述气相原料自原料区气相传输至籽晶进行长晶，制得高纯半绝缘碳化硅单晶；

其中，所述碳化硅多晶块设置孔道结构，所述孔道结构靠近籽晶的一端设置气相出口，原料区内的部分气相原料通过孔道结构自气相出口气相传输至籽晶。

可选地，所述孔道结构为沿所述碳化硅多晶块轴向设置的通孔。

优选地，所述孔道结构与所述籽晶的中心区域对应设置。

可选地，所述原料区设置多个碳化硅多晶块，所述多个碳化硅多晶块沿所述坩埚的轴向排布，且相邻的碳化硅多晶块之间形成径向通道，所述径向通道与所述孔道结构连通。气相原料自碳化硅多晶块体间的径向通道至孔道结构的传输，有利于提高升华速率，提高长晶效率。