專利名稱：一種提高4H-SiC單晶晶型穩(wěn)定性的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供一種提高4H-SiC單晶晶型穩(wěn)定性的方法，屬于晶體生長(zhǎng)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
SiC是第三代寬禁帶半導(dǎo)體代表，具有禁帶寬度大、遷移率高、熱導(dǎo)率高等優(yōu)良的電學(xué)熱學(xué)特性，成為制作高頻、大功率、耐高溫和抗輻射器件的理想材料。在器件研制方面， SiC藍(lán)光LED已經(jīng)商業(yè)化；SiC功率器件的研發(fā)已成為新型功率半導(dǎo)體器件研究開(kāi)發(fā)的主流；在高溫半導(dǎo)體器件方面，利用SiC材料制作的SiCJFET和SiC器件可以在無(wú)任何領(lǐng)卻散熱系統(tǒng)下的600°C高溫下正常工作。隨著SiC半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，SiC材料與器件的應(yīng)用越來(lái)越廣闊，在白光照明、汽車電子化、雷達(dá)通訊、石油鉆井、航空航天、核反應(yīng)堆系統(tǒng)及軍事裝備等領(lǐng)域起到至關(guān)重要的作用。在SiC多種晶型結(jié)構(gòu)中，4H_SiC的禁帶寬度更加寬；電子遷移率是6H_SiC的2倍多；由于六方比例更小，其各項(xiàng)異性更弱。因此，被認(rèn)為是制備高頻大功率器件最有前途的 SiC材料。然而，由于SiC各晶型的結(jié)構(gòu)極其相似一維方向(生長(zhǎng)方向)堆垛層錯(cuò)能極為接近、六角百分比十分接近、滑移面結(jié)構(gòu)相近、生長(zhǎng)溫度范圍小等原因，在4H-SiC晶型生長(zhǎng)中，特別容易產(chǎn)生其他晶型的的夾雜。這會(huì)導(dǎo)致了大量缺陷比如微管、層錯(cuò)等的產(chǎn)生，對(duì)器件的電學(xué)性能、穩(wěn)定性對(duì)會(huì)產(chǎn)生不利影響，嚴(yán)重地影響了晶體的產(chǎn)率和使用。所以4H-SiC 體塊單晶的生長(zhǎng)，首要的問(wèn)題就是保證晶型的穩(wěn)定。對(duì)于多型的影響因素有過(guò)不少的研究,在Near-thermal Equilibrium Growth of SiC bv Physical Vapor Transport (Norbert Schulze, Donovan L. Barrett, Gerhard Pensl, et al. [J]Materials Science and Engineering B 1999，61—62 :44-47)文章明確闡述了采用4H的碳面作為籽晶，才有可能得到晶型穩(wěn)定的4H-SiC單晶；采用其他晶面作為籽晶容易導(dǎo)致多型夾雜。同時(shí)在Polarity-and orientation-related Defect Distribution in 4H_SiC Single Crystals(Rost H, Schmidbaner M,Siche D, et al. [J] Journal of Crystal Growth 2006，290 :137-143)中認(rèn)為隨著偏角的增大會(huì)導(dǎo)致微管和缺陷密度降低。然而，在生長(zhǎng)過(guò)程中程中，多型的夾雜問(wèn)題仍然很嚴(yán)重，如何得到整體晶型穩(wěn)定的 4H-SiC仍然需要其他生長(zhǎng)條件配合。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)以上的技術(shù)不足，提供一種提高4H_SiC單晶晶型穩(wěn)定性的方法，可以穩(wěn)定生長(zhǎng)大尺寸4H_SiC單晶體。發(fā)明概述本發(fā)明通過(guò)提高生長(zhǎng)室的溫度梯度，實(shí)現(xiàn)大直徑4H_SiC單晶的可控和重復(fù)生長(zhǎng)。本發(fā)明通過(guò)調(diào)控生長(zhǎng)腔內(nèi)的溫度差、壓力和選用合適的籽晶，實(shí)現(xiàn)大尺寸4H_SiC單晶體的穩(wěn)定生長(zhǎng)。本發(fā)明涉及的生長(zhǎng)裝置可參照CN1M4808A(CN200310114637. 5)。術(shù)語(yǔ)說(shuō)明腔內(nèi)溫度差，指的是原材料料表面中心溫度與籽晶表面中心溫度之差。發(fā)明詳述一種提高4H_SiC單晶晶型穩(wěn)定性的方法，使用的生長(zhǎng)裝置為單晶生長(zhǎng)爐，包括生長(zhǎng)室、石墨坩堝、保溫材料和感應(yīng)加熱系統(tǒng)，生長(zhǎng)室側(cè)壁有水冷裝置，水冷裝置是石英玻璃構(gòu)成的密封雙層管，在雙層管中的循環(huán)工作介質(zhì)是水，水溫在生長(zhǎng)過(guò)程中保持恒定；坩堝有固定籽晶的籽晶座；坩堝和保溫材料放置在生長(zhǎng)室內(nèi)，生長(zhǎng)室可達(dá)到IXlO-6Hibar以上的真空度，由位于其外側(cè)的感應(yīng)線圈提供熱量，達(dá)到晶體生長(zhǎng)所要求的高溫條件，感應(yīng)線圈內(nèi)通水冷卻；溫場(chǎng)條件是坩堝內(nèi)部籽晶處的溫度最低，生長(zhǎng)方向有較大梯度的溫場(chǎng)分布；晶體生長(zhǎng)表面的徑向等溫線的分布近似平行，中心最低，邊緣最高，將純度至少為5N的高純碳化硅粉料作為源材料盛放在石墨坩堝內(nèi)，將籽晶固定在籽晶座上，密封后放入生長(zhǎng)室，生長(zhǎng)前采用真空條件去除氧、水有害物質(zhì)，其特征在于，生長(zhǎng)時(shí)通入氣體提供晶體生長(zhǎng)所需的氣氛，壓力為5-40mbar，溫度為2100 2240°C，源材料升華的氣相成分輸送到籽晶表面，并在那里成核生長(zhǎng)；精確控制溫度，使整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中溫度浮動(dòng)小于10°C ；精確控制壓力，使整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中壓力浮動(dòng)小于5mbar ；所述籽晶選用4H_SiC碳面籽晶，籽晶偏向(11-20)方向偏角為0-4° ；所述源材料表面溫度高于籽晶表面溫度20-120°C。根據(jù)晶體生長(zhǎng)理論，源材料表面中心與籽晶表面中心的溫度差提供了生長(zhǎng)動(dòng)力。溫差越大，生長(zhǎng)速率越快。生長(zhǎng)速率與溫度差成正比，與壓力成反比。當(dāng)拉大溫度差時(shí)，提高壓力可以保證速率穩(wěn)定。在本發(fā)明中， 生長(zhǎng)速率控制在0. 6mm/h以下，以0. 4-0. 6mm/h為宜。根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的生長(zhǎng)溫度在2180_2220°C ；根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中溫度浮動(dòng)小于5°C、壓力浮動(dòng)小于2mbar ；根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，籽晶偏向(11-20)方向偏角為0.5-3. 5°。根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，源材料的溫度高于籽晶溫度40-100°C。本發(fā)明在生長(zhǎng)室中建立合理的腔內(nèi)溫度差，促使源粉升華至籽晶上結(jié)晶生長(zhǎng)單晶。根據(jù)本發(fā)明，所述的保溫材料為不吸收感應(yīng)加熱的電磁波的材料，雜質(zhì)含量低于 50ppm。優(yōu)選的，保溫材料為石墨纖維壓制而成。根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，坩堝用石墨或者Ta材料制作的。根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)以下任一種方式控制源材料的溫度高于籽晶溫度a、減小坩堝和保溫材料的間隙，包括上層保溫材料與坩堝頂部之間的空隙和側(cè)面保溫材料與坩堝側(cè)壁之間的空隙上層保溫材料與坩堝頂部之間的空隙的距離可為0-50mm，優(yōu)選為O-IOmm ；側(cè)面保溫材料與坩堝側(cè)壁之間的空隙的距離可為0_20mm，優(yōu)選為0_10mm。b、利用步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)感應(yīng)線圈，從而改變坩堝與感應(yīng)線圈的相對(duì)距離，達(dá)到控制溫度的目的。進(jìn)一步優(yōu)選的，上層保溫材料與坩堝頂部之間的空隙的距離為5mm，側(cè)面保溫材料與坩堝側(cè)壁之間的空隙的距離為0-5mm。根據(jù)本發(fā)明方法，可制得的直徑為50mm 125mm大直徑4H_SiC晶體。該SiC晶片電阻率為N型、P型或者半絕緣。根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選方案一、壓力為20mbar，精確控制壓力，使整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中壓力浮動(dòng)小于5mbar ；溫度為2200°C，精確控制溫度，使整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中溫度浮動(dòng)小于10°C ；籽晶選用4H-SiC碳面籽晶，籽晶偏向(11-20)方向偏角為2°，生長(zhǎng)速率控制在0.4 0.5mm/h; 所述的保溫材料為石墨纖維，厚度25mm，所用坩堝為石墨坩堝，側(cè)面保溫材料與坩堝側(cè)壁之間的距離為5mm，上層保溫材料與石墨坩堝頂部的距離為5mm，源材料表面溫度高于籽晶表面溫度45 °C。根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選方案二、壓力為40mbar，精確控制壓力，使整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中壓力浮動(dòng)不大于2mbar ；溫度2180°C，精確控制溫度，使整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中溫度浮動(dòng)不大于5°C;籽晶選用4H-SiC碳面籽晶，籽晶偏向(11-20)方向偏角為3. 5° ；生長(zhǎng)速率控制在0. 5 0. 6mm/ h ；所述的保溫材料為石墨纖維，厚度25mm，所用坩堝為石墨坩堝，上層保溫材料與石墨坩堝頂部的距離為5mm，側(cè)面保溫材料與坩堝側(cè)壁之間的距離為0mm，料表面中心溫度和籽晶中心溫度差為53°C。本發(fā)明的技術(shù)特點(diǎn)是通過(guò)增加生長(zhǎng)室溫度差，增大4H_SiC生長(zhǎng)的幾率，確保整個(gè)過(guò)程晶型穩(wěn)定，1)源材料與籽晶的溫度差超過(guò)40°從而確保晶型的穩(wěn)定；幻可以通過(guò)移動(dòng)坩堝、改變保溫材料層和降低保溫與坩堝的距離等措施，增大源材料和籽晶的溫度差，從而促進(jìn)晶型的穩(wěn)定性。3)本發(fā)明所采用的籽晶是4H-SiC碳面籽晶，籽晶的偏向(11-20) 方向0-4°，最優(yōu)為0.5-3. 5°。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)選擇帶有偏角的籽晶在生長(zhǎng)的初期可以促進(jìn) 4H-SiC成核，確保生長(zhǎng)初期的晶型穩(wěn)定。本發(fā)明生長(zhǎng)室內(nèi)主要存在兩個(gè)溫度差一是源材料粉料內(nèi)的溫度差，指的料內(nèi)最高溫溫度與料表面中心點(diǎn)溫度差；二生長(zhǎng)腔內(nèi)溫度差，指的是料表面中心溫度(坩堝和籽晶均為圓形，中心指的圓形的中點(diǎn)；料表面中心指的是料的上表面的原點(diǎn)中心)與籽晶表面中心溫度差。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)提高生長(zhǎng)腔內(nèi)的溫度差，是影響晶型的關(guān)鍵。提高生長(zhǎng)腔內(nèi)的溫度差有很多方法，包括移動(dòng)線圈、改變保溫材料厚度、改變保溫材料與坩堝的距離等。本發(fā)明針對(duì)于4H_SiC的特點(diǎn)，對(duì)溫度要求更加精確、生長(zhǎng)條件波動(dòng)小、生長(zhǎng)速率慢等等，進(jìn)一步明確優(yōu)選生長(zhǎng)條件，得到提高4H-SiC單晶晶型穩(wěn)定性的方法。本發(fā)明的方法簡(jiǎn)單易行，重復(fù)性好。


圖1是晶體生長(zhǎng)部分結(jié)構(gòu)示意，其中，1、石墨纖維保溫材料，2、上層保溫材料與坩堝頂部之間的空隙，3、籽晶，4、坩堝，5、側(cè)面保溫材料與坩堝側(cè)壁之間的空隙，6、源材料粉料。圖2實(shí)施例1生長(zhǎng)的4H_SiC單晶晶型的產(chǎn)品照片。圖3實(shí)施例1生長(zhǎng)的4H_SiC單晶產(chǎn)品制作的SiC襯底照片。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。實(shí)施例所用生長(zhǎng)裝置參照 CN1554808A的實(shí)施例1。實(shí)施例1:如圖1所示。
一種提高4H_SiC單晶晶型穩(wěn)定性的方法，使用單晶生長(zhǎng)爐，生長(zhǎng)時(shí)通入氣體， 壓力為約20mbar，精確控制壓力，使整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中壓力浮動(dòng)不大于5mbar ；溫度為約 2200°C，精確控制溫度，使整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中溫度浮動(dòng)不大于10°C ；籽晶3選用4H-SiC碳面籽晶，籽晶偏向(11-20)方向偏角為2°，源材料6升華的氣相成分輸送到籽晶3表面，并在那里成核生長(zhǎng)；生長(zhǎng)速率控制在0. 4 0. 5mm/h。所述的保溫材料1為不吸收感應(yīng)加熱電磁波的石墨纖維，厚度25mm，雜質(zhì)含量低于50ppm，側(cè)面保溫材料與坩堝側(cè)壁之間的間隙 5距離為5mm ；所用坩堝4為石墨坩堝，通過(guò)調(diào)整上層保溫材料與石墨坩堝頂部的距離(空隙2)為5mm，此時(shí)源材料表面溫度高于籽晶表面溫度45°C。按本實(shí)施例生長(zhǎng)3爐次，得到的晶體全部為4H_SiC單晶晶型(無(wú)多型)，產(chǎn)品照片如圖2所示。應(yīng)用本實(shí)施例產(chǎn)品制作的SiC襯底，照片如圖3所示。對(duì)比例1 如實(shí)施例1所述，所不同的是調(diào)整上層保溫材料與石墨坩堝頂部的距離 2為15mm，此時(shí)籽晶表面中心與料表面中心的溫度差為15°C。共生長(zhǎng)3爐，全部出現(xiàn)6H_SiC 晶型，且其多型面積較大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。實(shí)施例2 如實(shí)施例1所述，所不同的是壓力為40mbar，精確控制壓力，使整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中壓力浮動(dòng)不大于2mbar ；溫度2180°C，精確控制溫度，使整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中溫度浮動(dòng)不大于5°C ；籽晶3選用4H-SiC碳面籽晶，籽晶偏向(11-20)方向偏角為3. 5°，生長(zhǎng)速率控制在0. 5 0. 6mm/h。通過(guò)調(diào)整上層保溫材料與石墨坩堝頂部的距離2為5mm ；改變側(cè)面保溫材料與坩堝側(cè)壁之間的間隙5，使間隙為Omm時(shí)，此時(shí)料表面中心溫度和籽晶中心溫度差為530C ο按本實(shí)施例生長(zhǎng)8爐次得到的晶體全部為4H_SiC單晶晶型(無(wú)多型)。對(duì)比例2 改變側(cè)面保溫材料與坩堝側(cè)壁之間的間隙5的距離，將其拉大到20mm， 此時(shí)籽晶表面中心與料表面中心的溫度差為23°C，共生長(zhǎng)4爐晶體，3爐出現(xiàn)多型，占75%。
權(quán)利要求
1.一種提高4H-Sic單晶晶型穩(wěn)定性的方法，使用的生長(zhǎng)裝置為單晶生長(zhǎng)爐，包括生長(zhǎng)室、石墨坩堝、保溫材料和感應(yīng)加熱系統(tǒng)，生長(zhǎng)室側(cè)壁有水冷裝置，水冷裝置是石英玻璃構(gòu)成的密封雙層管，在雙層管中的循環(huán)工作介質(zhì)是水，水溫在生長(zhǎng)過(guò)程中保持恒定；坩堝有固定籽晶的籽晶座；坩堝和保溫材料放置在生長(zhǎng)室內(nèi)，生長(zhǎng)室可達(dá)到lX10-6mbar以上的真空度，溫場(chǎng)條件是坩堝內(nèi)部籽晶處的溫度最低，生長(zhǎng)方向有較大梯度的溫場(chǎng)分布；晶體生長(zhǎng)表面的徑向等溫線的分布近似平行，中心最低，邊緣最高，將純度至少為5N的高純碳化硅粉料作為源材料盛放在石墨坩堝內(nèi)，將籽晶固定在籽晶座上，密封后放入生長(zhǎng)室，生長(zhǎng)前采用真空條件去除氧和水，其特征在于，生長(zhǎng)時(shí)通入氣體提供晶體生長(zhǎng)所需的氣氛，壓力為5-40mbar，溫度為2100 2240°C， 源材料升華的氣相成分輸送到籽晶表面，并在那里成核生長(zhǎng)；精確控制溫度，使整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中溫度浮動(dòng)小于10°C ；精確控制壓力，使整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中壓力浮動(dòng)小于5mbar ；所述籽晶選用4H-SiC碳面籽晶，籽晶偏向(11-20)方向偏角為0 4° ；所述源材料表面溫度高于籽晶表面溫度20 120°C。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，生長(zhǎng)溫度在2180-2220°C。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中溫度浮動(dòng)不大于5°C、壓力浮動(dòng)不大于2mbar。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述籽晶偏向(11-20)方向偏角為0.5 3 · 5 ο
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述源材料表面溫度高于籽晶表面40 100°C。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，保溫材料為石墨纖維壓制而成。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，壓力為20mbar，精確控制壓力，使整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中壓力浮動(dòng)小于5mbar ；溫度為2200°C，精確控制溫度，使整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中溫度浮動(dòng)小于10°C ；籽晶選用4H-SiC碳面籽晶，籽晶偏向(11-20)方向偏角為2°，生長(zhǎng)速率控制在 0. 4 0. 5mm/h ；所述的保溫材料為石墨纖維，厚度25mm，雜質(zhì)含量低于50ppm，所用坩堝為石墨坩堝，側(cè)面保溫材料與坩堝側(cè)壁之間的距離為5mm，上層保溫材料與石墨坩堝頂部的距離為5mm，源材料表面溫度高于籽晶表面溫度45°C。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，壓力為40mbar，精確控制壓力，使整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中壓力浮動(dòng)不大于2mbar ；溫度2180°C，精確控制溫度，使整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中溫度浮動(dòng)不大于5°C ；籽晶選用4H-SiC碳面籽晶，籽晶偏向(11-20)方向偏角為3. 5° ；生長(zhǎng)速率控制在0. 5 0. 6mm/h ；所述的保溫材料為石墨纖維，厚度25mm，所用坩堝為石墨坩堝，調(diào)整上層保溫材料與石墨坩堝頂部的距離為5mm，側(cè)面保溫材料與坩堝側(cè)壁之間的距離為0mm，料表面中心溫度和籽晶中心溫度差為53°C。
全文摘要
本發(fā)明提供一種提高4H-SiC單晶晶型穩(wěn)定性的方法，所述方法包括采用升華法將碳化硅源粉末加熱至升華，建立優(yōu)選溫度和壓力范圍，確保生長(zhǎng)晶型為4H-SiC；在生長(zhǎng)室中建立特定的軸向溫度梯度，促使碳化硅源粉升華至籽晶上結(jié)晶；利用移動(dòng)坩堝、改變保溫狀態(tài)等增加軸向溫度梯度，增大4H-SiC生長(zhǎng)的幾率，使整個(gè)過(guò)程晶型穩(wěn)定。
文檔編號(hào)C30B29/36GK102268735SQ20111018629
公開(kāi)日2011年12月7日 申請(qǐng)日期2011年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月5日
發(fā)明者宋生, 彭燕, 徐現(xiàn)剛, 王麗煥, 胡小波, 高玉強(qiáng), 魏汝省 申請(qǐng)人:山東大學(xué)