一種提高物理氣相傳輸法生長4H-SiC晶體晶型穩(wěn)定性的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明提供一種提高物理氣相傳輸法生長4H-SiC晶體晶型穩(wěn)定性的方法，屬晶體生長技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]作為第三代寬帶隙半導(dǎo)體材料的一員，相對于常見Si和GaAs等半導(dǎo)體材料，碳化硅材料具有禁帶寬度大、載流子飽和遷移速度高，熱導(dǎo)率高、臨界擊穿場強(qiáng)高等諸多優(yōu)異的性質(zhì)?；谶@些優(yōu)良的特性，碳化硅材料是制備高溫電子器件、高頻大功率器件更為理想的材料。特別是在極端條件和惡劣條件下應(yīng)用時(shí)，SiC器件的特性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了 Si器件和GaAs器件。在光電子領(lǐng)域，相對傳統(tǒng)襯底材料Si與藍(lán)寶石，SiC與GaN材料晶格及熱適配更小，用碳化硅襯底制作的LED性能遠(yuǎn)優(yōu)于藍(lán)寶石襯底，科銳公司利用SiC襯底制作的LED其發(fā)光效率達(dá)到2541m/w。
[0003]物理氣相傳輸法是目前制備SiC襯底的主要方法。在典型的物理氣相傳輸法中，籽晶和源粉二者均被放置在加熱到源粉能夠升華溫度的坩堝中，且在源粉和溫度較低的籽晶之間產(chǎn)生溫度梯度，這個(gè)溫度梯度促進(jìn)了物資從源粉到籽晶的氣相移動(dòng)，隨后源粉升華的物質(zhì)在籽晶上凝結(jié)從而導(dǎo)致晶體的生長。
[0004]SiC材料具有200多種同素異構(gòu)體，目前常見的晶型有6H-SiC，4H_SiC和3C_SiC。SiC常見的晶型結(jié)構(gòu)中，4H-SiC電子遷移率是6H-SiC的2倍多，具有較弱的各項(xiàng)異性，被認(rèn)為是制備高頻大功率器件最有前途的SiC材料。但由于SiC在生長方向的層錯(cuò)形成能較低，因此在生長過程中極易出現(xiàn)多型夾雜，多型的產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致大量缺陷(如:微管，位錯(cuò))的產(chǎn)生，嚴(yán)重影響晶體質(zhì)量，大大降低了晶體的可用性及產(chǎn)率，導(dǎo)致使用其制備的器件性能大大下降。
[0005]根據(jù)4H_SiC的生長特點(diǎn)，高的生長組分C/Si比有利于抑制生長界面臺階聚并，提高4H-SiC生長穩(wěn)定性，但根據(jù)SiC的升華特性，高的C/Si比一般要求較高的生長溫度，而高的生長溫度會(huì)促進(jìn)6H-SiC和15R-SiC晶型的形成，不利于4H-SiC晶型穩(wěn)定生長。因此，如何在較低的生長溫度下提高生長界面生長組分C/Si比成為解決4H-SiC生長過程中提高穩(wěn)定性的一個(gè)技術(shù)關(guān)鍵。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種提高物理氣相傳輸法生長4H_SiC晶體晶型穩(wěn)定性的方法，可以穩(wěn)定生長大尺寸4H-SiC單晶。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0008]—種提高4H_SiC單晶晶型穩(wěn)定性的方法，步驟如下:
[0009](I)將碳化硅粉料盛放在置于單晶生長爐的石墨坩堝內(nèi)，以碳極性面作為籽晶生長面，將籽晶固定在碳化硅粉料的正上方，在SiC粉料升華組分輸運(yùn)至籽晶路徑上放置石墨材料；
[0010](2)向單晶生長爐內(nèi)通入氣氛，保持單晶生長爐內(nèi)壓力為5?40mbar，溫度為2100?2240°C進(jìn)行晶體生長，即可提聞4H_SiC單晶晶型穩(wěn)定性。
[0011]根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，步驟(I)中籽晶的晶型為4H或6H晶型，籽晶偏向〈11-20〉方向的偏角為O?4°。
[0012]根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，步驟(I)中在石墨坩堝和籽晶之間加入石墨材料的方式為:在碳化硅粉料內(nèi)部或表面鋪設(shè)石墨顆粒層，或者，在碳化硅粉料和籽晶之間設(shè)置石墨片；更優(yōu)選的，所述的石墨片為孔隙率較大的石墨片，密度為1.2?1.7g/cm3。
[0013]根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，步驟(I)中所述的碳化硅粉料表面和籽晶表面的垂直距離為 5 ?100mm。
[0014]根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，步驟(2)中向單晶生長爐內(nèi)通入的氣氛為氬氣、氬氣氮?dú)饣旌蠚饣騃S氣氫氣混合氣，進(jìn)一步優(yōu)選的，IS氣氮?dú)饣旌蠚饣騃S氣氫氣混合氣中IS氣的體積分?jǐn)?shù)為50?90% ;單晶生長爐內(nèi)壓力為15?30mbar，溫度為2110?2150°C。晶體在高溫生長階段滿足碳化硅粉料表面至生長前沿存在正溫度梯度，即溫度逐漸降低。
[0015]根據(jù)本發(fā)明，晶體生長前采用真空條件去除單晶生長爐內(nèi)的氧、水等有害物質(zhì)。
[0016]根據(jù)本發(fā)明，晶體生長過程中碳化硅粉料升華的氣相成分在輸送到籽晶表面前能夠與體系內(nèi)的石墨充分碰撞并反應(yīng)，反應(yīng)后的組分輸運(yùn)至籽晶表面成核并生長。體系內(nèi)的石墨不僅包括加入的石墨材料，還包括石墨坩堝。
[0017]本發(fā)明所述的單晶生長爐為本領(lǐng)域常規(guī)設(shè)備，包括生長室、石墨坩堝、保溫材料和感應(yīng)線圈，石墨坩堝設(shè)置有固定籽晶的籽晶座；石墨坩堝和保溫材料放置在生長室內(nèi)，生長室可達(dá)到lX10_4mbar以上的真空度，由位于生長室內(nèi)外側(cè)的感應(yīng)線圈提供熱量，達(dá)到晶體生長所要求的高溫條件，保溫材料多為石墨纖維壓制而成。
[0018]本發(fā)明根據(jù)碳化硅粉料的升華特性，碳化硅粉料升華組分主要為SiC2,且Si組分分壓遠(yuǎn)大于其他兩種組分。升華的組分在溫度梯度的作用下，向籽晶輸運(yùn)。在輸運(yùn)過程中，Si會(huì)與生長體系內(nèi)的石墨(如石墨坩堝，石墨顆粒，石墨片)發(fā)生如下反應(yīng):
[0019]Si (g)+C (s) = SiC(g)
[0020]2Si(g)+C(s) = Si2C (g)
[0021]Si (g) +2C(s) = SiC2 (g)
[0022]上述反應(yīng)提高了輸運(yùn)至籽晶表面組分的C/Si比，有利于4H_SiC晶型的穩(wěn)定。通過改變生長體系結(jié)構(gòu)和材料構(gòu)成的方法，促進(jìn)Si組分與石墨材料的反應(yīng)，能夠有效提高生長界面組分的C/Si比，達(dá)到穩(wěn)定4H-SiC晶型的目的。
[0023]根據(jù)本發(fā)明，可以但不局限于通過以下方式促進(jìn)Si組分與石墨材料的反應(yīng):
[0024]a.選用石墨化程度低的石墨材料制作坩堝，增加石墨坩堝反應(yīng)活性，促進(jìn)Si組分與石墨i甘禍的反應(yīng)；
[0025]b.在碳化硅粉料內(nèi)部或表面鋪設(shè)一層石墨顆粒，增加Si組分與石墨顆粒的反應(yīng)幾率；
[0026]c.在碳化硅粉料及籽晶間添加密度較小孔隙率較大的石墨片，增加Si組分輸運(yùn)過程中與石墨的反應(yīng)幾率。
[0027]本發(fā)明技術(shù)特點(diǎn)和有益效果:
[0028]本發(fā)明通過設(shè)計(jì)和改變物理氣相傳輸方法生長體系結(jié)構(gòu)或材料構(gòu)成，通過碳化硅粉料升華組分向籽晶輸運(yùn)過程中，促進(jìn)Si組分與石墨的反應(yīng)，提高輸運(yùn)至籽晶的組分的C/Si比，進(jìn)而提高4H-SiC晶型的穩(wěn)定性。促進(jìn)升華氣相組分輸運(yùn)至生長界面的過程中與石墨材料的反應(yīng)，提高生長界面上的C/Si比，實(shí)現(xiàn)大直徑4H-SiC單晶的穩(wěn)定生長。采用本發(fā)明方法進(jìn)行物理氣相傳輸法生長4H-SiC晶體，晶型穩(wěn)定性明顯提高，多型面積明顯減少(參見圖3)。
【附圖說明】
[0029]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1生長體系的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為本發(fā)明實(shí)施例2生長體系的結(jié)構(gòu)示意圖。其中:1、石墨保溫纖維材料，2、籽晶，3、石墨坩堝，4、碳化硅粉料，5、石墨顆粒，6、石墨片。
[0030]圖3為實(shí)施例2得到的晶體與對比例得到的晶體晶型拉曼掃描成像(RamanMapping)結(jié)果對比圖。a.對比例的晶體晶型拉曼圖，b.實(shí)施例2的晶體晶型拉曼圖。