[发明专利]一种简单、高效降低SiC单晶中碳包裹物的方法

说明书

本发明涉及一种简单、高效降低SiC单晶中碳包裹物的方法，包括步骤如下：以Si粉和C粉作为原料，使C粉过量，在真空高温条件下制备富碳SiC粉料；以富碳SiC粉料为原料，采用物理气相传输法，制备SiC单晶；或者，采用物理气相传输法，将Si/C＝1:1的SiC粉料置于石墨坩埚底部，并在生长低温区放置C粉，制备SiC单晶。本发明中降低SiC单晶中的碳包裹物的方法，在降低晶体中碳包裹物的同时，不会在晶体中产生额外的微管、多型夹杂等缺陷，能够大幅度提高SiC单晶的质量。

技术领域

本发明涉及一种简单、高效降低SiC单晶中碳包裹物的方法，属于晶体生长技术领域。

背景技术

SiC作为目前发展最为瞩目的宽禁带半导体材料之一，具有Si等传统半导体无可比拟的优异性能，如禁带宽度大、热导率高、击穿电场强、电子饱和速率高等，特别适合制备电力电子器件、高频微波器件、光电子器件。目前SiC基器件在雷达通信、航空航天、白光照明、电动汽车中已有广泛应用，SiC巨大的应用价值也引起了各国的重视。

目前制备体块SiC单晶最成熟的技术是物理气相传输法。该方法主要包括对腔室抽真空、预加热(1500-1900℃)、高温生长(1900-2500℃)、降温四个过程。该方法中采用SiC多晶粉料作为反应原料，并置于石墨坩埚底部，SiC籽晶置于坩埚顶部，通过加热石墨坩埚，并在石墨坩埚中建立合适的温度场，SiC粉料发生升华并分解为非化学计量平衡的Si、Si₂C、SiC₂等物质，在温度梯度的驱动力下这些组分被输运至SiC籽晶处生成SiC单晶。采用物理气相传输法，根据粉料所在位置的温度，可以将粉料划分为低温区和高温区，一般情况下，高温区的SiC粉料会优先升华分解，释放出生长气体组分，而低温区的SiC粉料由于温度相对较低，升华分解相对较晚。高温区温度一般在2400-2600℃，低温区温度一般在2300-2400℃。在预加热阶段，SiC多晶发生分解的气相物种中，Si组分的分压最高。Si组分在温度梯度作用下由生长腔内传输至籽晶表面时，其不可避免的与反应腔室的石墨内壁发生反应，并在坩埚内壁上生成SiC薄层。随着温度进一步升高，在高温生长阶段，附着在坩埚内壁的SiC薄层将会发生分解，重新分解为含Si气相组分及C粒子。此时分解出的C粒子会在生长气流所施加的拖拽力、热泳力的带动下输运至籽晶处，并吸附在生长前沿，最终在晶体中形成碳包裹物。碳包裹物会在晶体中诱发形成微管、晶型、位错等缺陷，严重劣化晶体质量。

中国专利文件CN110129880A公开了一种低碳包裹物密度SiC单晶的生长装置及生长方法。该发明中单晶生长坩埚与硅料坩埚之间放置一分隔板，分隔板以上腔体进行物理气相传输制备SiC单晶，硅料坩埚内置入单质硅。通过保持硅料坩埚温度低于单晶生长温度，避免单晶由于附加硅源导致硅滴产生，同时可实现向SiC多晶料内缓释Si组分抑制多晶原料石墨化，降低SiC单晶中碳包裹物缺陷密度。该方法仅能够有效降低生长后期阶段(SiC粉料石墨化)产生的碳包裹物，然而却无法达到降低生长前、中期阶段由于Si组分腐蚀石墨坩埚壁而产生碳包裹物的目的；此外在生长坩埚内添加Si组分，会在一定程度上加剧石墨坩埚腐蚀程度，降低石墨坩埚使用寿命。

中国专利文件CN 108193282A公开了一种高纯碳化硅原料的合成方法及应用。该发明通过三步反应技术，形成外层为SiC、内层为Si的SiC包覆Si的高纯颗粒。将Si包覆SiC内部，在使用此颗粒作为原料生长高纯SiC单晶时，表层的SiC升华后形成残余碳后，包覆于内部的硅能够继续与残余碳反应形成新的SiC，从而不断保持Si/C比处于平衡状态，实现达到减少碳颗粒进而降低长晶过程中SiC单晶内包裹物的形成。该发明可以降低生长后期(SiC粉料石墨化)的包裹物，然而却无法达到降低生长前、中期阶段由于Si组分腐蚀石墨坩埚壁而产生碳包裹物的目的；此外使用该发明制备的高纯SiC颗粒，会使SiC粉料富Si，会加剧Si组分腐蚀石墨坩埚，降低石墨坩埚使用寿命。