[发明专利]一种重掺杂p型SiC单晶及其生长方法和应用

说明书

本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种重掺杂p型SiC单晶及其生长方法和应用。本发明利用铝、氮元素构成的化合物或固溶体作为一类掺杂源和其它p型掺杂源作为二类掺杂源来进行Al‑N共掺。进一步的，在SiC粉料区中放置AlN材料作为一类掺杂源，使其分解时提供相同摩尔比的Al原子和N原子，进而实现N源与Al源同步释放，起到维持重掺杂晶体的单一晶型；放置Alsubgt;4/subgt;Csubgt;3/subgt;、Alsubgt;2/subgt;Osubgt;3/subgt;、Al等作为二类掺杂源，来提供额外的Al元素来实现n[Al]:n[N]在1.2～3.0的范围内，保证生长的晶体是单一晶型的p型SiC。得到p型SiC单晶具有Al掺杂浓度不低于7×10supgt;19/supgt;cmsupgt;‑3/supgt;、电阻率不高于0.200Ω·cm、摇摆曲线半峰宽不超过60弧秒中的一个或多个特征，可应用于智能电网、光伏发电、大功率电力电子器件等领域。

技术领域

本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种重掺杂p型SiC单晶及其生长方法和应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

碳化硅(SiC)作为第三代半导体材料的典型代表，具有禁带宽度大、载流子迁移率高、临界击穿电场强高、热导率高等优异的物理性能，非常适合制备高温、高频、大功率半导体器件。碳化硅器件在航空、航天探测、新能源汽车、5G通信、电网传输、光伏发电等领域有着重要的应用。SiC基绝缘栅双极型晶体管(IGBT，Insulated-Gate-Bipolar-Transistor)是由双极型三极管(BJT)和绝缘栅型场效应管(MOS)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，具有高输入阻抗和低导通压降的特点，在高压环境下导通损耗较小，是未来制备大功率电力电子器件的衬底材料发展的重点。其中p型SiC衬底是制备n沟道IGBT的基础材料，然而受限于目前的掺杂技术，p型SiC晶体仍存在晶型稳定性差、电阻率偏高等问题。

利用PVT生长装置生长p型SiC主要的p型掺杂元素有Al、B等。由于Al原子在4H-SiC中的电离能约190meV，在6H-SiC中的电离能约240-290meV，是目前在SiC禁带中引入受主能级最浅的元素，使Al元素成为目前制备p型SiC的首选掺杂元素。然而相比于施主N原子在SiC中的电离能84-125meV，Al原子在SiC中的电离率较低。通过重掺杂Al原子(7×10¹⁹cm^-3)可以在SiC禁带中实现受主能级杂化，降低受主的能级位置，达到降低Al原子电离能的目的。因此目前制备低电阻率p型SiC一般是通过重掺杂实现。然而Al原子在SiC晶胞中占据Si格点，Al、Si原子共价键半径分别为126pm、117ppm，在SiC单晶重掺杂Al元素会引起SiC晶胞膨胀。由于SiC不同晶型间的堆垛层错能低，因此重掺杂p型SiC单晶很容易产生异质多型，导致晶体质量下降。

中国专利CN106894090B公布了一种高质量低电阻率p型SiC单晶的制备方法。该方法通过在SiC粉料中掺杂B源、Al源生长低电阻率p型SiC单晶。该方法利用了B、Al原子均在SiC中占据Si原子位置，但B原子的半径比Si原子小，而Al原子的半径比Si原子大，通过优选特定B、Al的掺杂浓度，可保持p型SiC单晶的晶型稳定性和质量。然而B源在SiC中掺杂为无限源、且蒸汽压低，Al在SiC中掺杂为有限源、蒸汽压高，两种掺杂源的热力学性质不同，因此在同一温场中释放匹配度难以精准控制；此外B源在SiC单晶会引入深能级“D-Center”，该能级位于价带顶600meV左右，会俘获受主元素电离出的空穴，不利于降低p型电阻率。