CN103320851A

CN103320851A - 大尺寸15r 碳化硅晶体的制备方法

Info

Publication number: CN103320851A
Application number: CN2013102216542A
Authority: CN
Inventors: 高攀; 刘熙; 严成锋; 忻隽; 孔海宽; 刘学超; 郑燕青; 施尔畏
Original assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Priority date: 2013-06-05
Filing date: 2013-06-05
Publication date: 2013-09-25

Abstract

本发明涉及一种大尺寸15R碳化硅晶体的制备方法，包括：将已填充含碳和硅的原料并已粘结或固定籽晶的坩埚放入晶体生长炉，其中所述籽晶相与所述原料隔开一定距离；对所述晶体生长炉进行抽真空，待真空度小于10^-3Pa后，往炉内充入预定量的惰性气体；提高所述晶体生长炉的温度，控制填充所述原料的原料区具有2200～2600℃的温度，并控制粘结或固定籽晶处具有1700～2150℃的温度；将晶体生长炉的气压控制在10²～7×10³Pa的范围内，开始生长15R碳化硅晶体；以及生长48～200小时后，关闭电源或以设定的降温速率降低晶体生长炉温度，待冷却至室温得到所述大尺寸15R碳化硅体单晶。

Description

大尺寸15R 碳化硅晶体的制备方法

技术领域

本发明属于晶体生长技术领域，具体涉及一种基于物理气相传输技术生长15R碳化硅单晶方法。

背景技术

碳化硅（SiC）单晶材料具有宽禁带、高热导率、高电子饱和迁移速率、高击穿电场等性质，与第一代半导体材料和第二代半导体材料相比有着明显的优越性，被认为是制造光电子器件、高频大功率器件、电力电子器件理想的半导体材料，在白光照明、光存储、屏幕显示、航天航空、高温辐射环境、石油勘探、自动化、雷达与通信、汽车电子化等方面有广泛应用。

SiC具有200多种多型体，如2H、4H、6H、15R和3C等，而且不同的多型体具有不同的物理性能，如禁带宽度、电子迁移率和光学性质等。其中15R-SiC的电子沟道迁移率比4H-SiC和6H-SiC都高，在某些电子应用领域具有更广阔的前景，比如制备MOS晶体管器件；另外，15R-SiC还可以作为制备高质量3C-SiC膜的基底材料。

然而，到目前为止，有关15R-SiC单晶制备与应用方面的研究比较少，国外N.Schulze等人曾报道通过控制原料中的Si/C比和生长过程的热平衡条件来制备15R-SiC，结果得到的15R-SiC晶体直径只有20mm（PhysicaStatus Solidi(a),2000,178(2):645-650）；Taro Nishiguchi等人则使用水冷式石英管反应炉利用升华方法，通过多次更换原料的工艺生长了15R-SiC，但晶体直径及厚度都小于1英寸（Materials Science Forum,2000,338-342:115-118；Materials Science Forum,2001,353-356:69-72）；在US专利No.20020014199A1中介绍利用PVT法，使用与SiC[0001]方向成2～10°的Si面籽晶进行15R-SiC生长，但晶体尺寸及质量未有报道。另外，国内外其它一些研究人员还报道过使用Lely法制备15R-SiC，但晶体尺寸很小，仅限于缺陷性能方面的研究。显而易见，现阶段在国内外商业尺寸的15R-SiC还没有。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种高效生长15R碳化硅晶体的方法，即通过物理气相传输技术生长高质量15R碳化硅块体单晶的方法。

在此，本发明提供一种基于物理气相传输技术生长大尺寸15R碳化硅体单晶的方法，所述方法包括：

1）将已填充含碳和硅的原料并已粘结或固定籽晶的坩埚放入晶体生长炉，其中所述籽晶相与所述原料隔开一定距离；

2）对所述晶体生长炉进行抽真空，待真空度小于10^-3Pa后，往炉内充入预定量的惰性气体；

3）提高所述晶体生长炉的温度，控制填充所述原料的原料区具有2200～2600℃的温度，并控制粘结或固定籽晶处具有1700～2150℃的温度；

4）将晶体生长炉的气压控制在10²～7×10³Pa的范围内，开始生长15R碳化硅晶体；以及

5）生长48～200小时后，关闭电源或以设定的降温速率降低晶体生长炉温度，待冷却至室温得到所述大尺寸15R碳化硅体单晶。

本发明的基于物理气相传输技术生长碳化硅单晶方法中，生长过程中籽晶粘贴或固定在坩埚盖上，籽晶位于坩埚低温区部位，原料位于坩埚高温区部位，即、原料区温度在2300～2700℃范围，籽晶处即生长界面温度介于1700～2200℃，生长炉内气压控制在10²～7×10³Pa范围内，可获得多型单一的高质量15R碳化硅晶体，为实现15R碳化硅晶体的商业量产提供了必要条件。

本发明中，所述含碳和硅的原料包括碳化硅和/或碳粉与硅粉的混合物，所述原料中碳与硅的摩尔比为1:1～1:1.5。

本发明中，所述籽晶使用6H碳化硅Si面、4H碳化硅C面、15R碳化硅Si面或15R碳化硅C面作为籽晶。

本发明中，所述坩埚的材料可为石墨、钽或碳化钽。

本发明中，所述晶体生长炉包括感应加热炉、石墨加热炉和W加热体炉。例如当所述晶体生长炉为感应加热炉，真空度可达10-4Pa量级。

较佳地，所述预定量的惰性气体可为10³～10⁶Pa的氩气和/氮气。

本发明中，所述设定的降温速率可为50℃～2000℃/小时。

较佳地，生长48～200小时后，向所述晶体生长炉内充入10²～10⁶Pa的惰性气体后关闭电源或以设定的降温速率降低晶体生长炉温度。

本发明中，制备的高质量碳化硅晶体为高纯15R-SiC、导电型15R-SiC（如掺氮元素）或半绝缘15R-SiC（如掺钒元素）。例如，所述原料含还包括0～20mol%的氮。又例如，所述原料含还包括0～10mol%的钒。

附图说明

图1示出物理气相传输（PVT）技术生长15R-SiC体单晶的生长过程示意图；

图2通过本发明的方法制备的3寸15R-SiC晶片的拉曼谱空间分布特征图。

具体实施方式

以下结合附图及下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

本专利提供一种基于物理气相传输技术使SiC气相沉积在SiC籽晶上，通过选择合适的生长工艺条件制备出商业尺寸的高质量15R-SiC单晶材料，为实现15R碳化硅晶体的商业量产提供必要条件。

本发明的方法可以包括下述步骤：

1）将已填充碳化硅原料和已粘结或固定籽晶的坩埚放入晶体生长炉，原料和籽晶隔开一定距离放置，例如将原料区设置在坩埚下部，而将籽晶区设置在坩埚上部（例如将籽晶粘结或固定在坩埚盖上）；又或者可将原料区设置而将在坩埚上部，籽晶区设置在坩埚下部。此处碳化硅原料应理解为包含碳和硅的原料，例如以碳化硅颗粒和/或碳粉与硅粉的混合物作为原料。又，碳化硅原料还可包括掺杂元素用于制备掺杂碳化硅晶体，例如制备高纯15R-SiC、导电型15R-SiC（如掺氮元素）或半绝缘15R-SiC（如掺钒元素）。碳化硅原料中，碳与硅的摩尔比可为1:1～1:1.5。掺杂元素的摩尔含量可为1～20%，例如原料含有0～20mol%的氮或0～10mol%的钒。本发明对晶体生长所用原料没有特别要求，即普通碳化硅原料以及高纯碳化硅原料均可适用。籽晶可使用6H碳化硅Si面、4H碳化硅C面、或15R碳化硅Si面或C面作为籽晶生长大尺寸15R碳化硅晶体。坩埚材料可选用耐热耐压材料，例如石墨、钽或碳化钽。晶体生长炉可包括感应加热炉、石墨加热炉和/或W加热体炉。

2）对晶体生长炉进行抽真空，待真空度小于10^-3Pa后，往炉内充入预定量的惰性气气体。当所述晶体生长炉采用感应加热炉，真空度可达10^-4Pa量级。惰性气体为氩气和/或氮气。气体量可为10³～10⁶Pa。

3）提高晶体生长炉的温度，使填充碳化硅原料的原料区具有2200～2600℃的温度，籽晶处具有1700～2150℃的温度。本领域技术人员可以理解温度升高和控制可通过坩埚材料的设计、坩埚结构的设计、保温材料的设计和/或保温结构的设计而实施。例如参见图1，其示出本发明生长方法的原理示意图。

4）待晶体生长炉内达到预设温度后，将晶体生长炉的气压控制在10²～7×10³Pa的范围内，开始生长15R碳化硅晶体；此时生长体系内气氛仍为为氩气、氮气和/或含氩混合气氛。

5）生长结束后，可以关闭电源自然冷却或以设定的降温速率降低晶体生长炉温度，待冷却至室温得到高质量15R碳化硅晶体。生长时间可为48～200小时。设定的降温速率可为500℃/h～2000℃/h范围内。生长结束后，也可向晶体生长炉内充入102～106Pa的惰性气体再进行冷却。

在本发明一种基于物理气相传输技术生长15R碳化硅单晶的方法中，可根据所需生长晶体的尺寸对生长晶体所用坩埚尺寸、保温结构等进行设计调整。本发明方法生长得到的15R-碳化硅晶体质量高，尺寸大，为2～5英寸，适合商业应用。

以下将参照本发明给出四个实施例。应理解，本发明可以以多种不同的形式体现出来，而不应当理解为受限于在此给出的实施例；恰恰相反，提供这些实施例是为了使公开更加彻底和完备，以便将本发明的范围完全传递给本领域的技术人员。下述示例具体的温度、时间、投料量等也仅是合适范围中的一个示例，即、本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。

实施例1

使用如图1所示的PVT技术生长SiC体单晶的生长方法，在坩埚顶盖上粘结或固定一片2英寸4H-SiC籽晶，籽晶的（000-1）C面朝下，在坩埚下部加入Si粉与C粉的混合物。将坩埚放入感应加热炉中，抽真空至10^-3Pa以下后，往炉内充入9.0×10⁴Pa的氩气，然后调整坩埚、保温材料和线圈的相对位置，控制坩埚顶盖实测温度1800℃、坩埚下部（即原料区）的温度为1750℃，控制生长炉内压力8Torr，生长100小时后，关闭电源冷却至室温，在坩埚顶盖下方生长得到一个直径为2英寸的15R-SiC单晶晶锭。

实施例2

使用如图1所示的PVT技术生长SiC体单晶的生长方法，在坩埚顶盖上粘结或固定一片3英寸6H-SiC籽晶，籽晶的（0001）Si面朝下，在坩埚下部加入粒径100微米的SiC粉料。将坩埚放入感应加热炉中，抽真空至10^-3Pa以下后，往炉内充入5.0×10⁴Pa的氩气，然后调整坩埚、保温材料和线圈的相对位置，控制坩埚顶盖实测温度2150℃、坩埚下部（即原料区）的温度为2070℃，控制生长炉内压力30Torr，生长80小时后，以20℃/小时降温至室温，在坩埚顶盖下方生长得到一个直径为3英寸的15R-SiC单晶晶锭。

实施例3

使用如图1所示的PVT技术生长SiC体单晶的生长方法，在坩埚顶盖上粘结或固定一片3英寸15R-SiC籽晶，籽晶的（000-1）C面朝下，在坩埚下部加入粒径200微米的SiC粉料。将坩埚放入感应加热炉中，抽真空至10^-3Pa后，往炉内充入7.0×10⁴Pa的氩气，然后调整坩埚、保温材料和线圈的相对位置，控制坩埚顶盖实测温度2050℃、坩埚下部（即原料区）的温度为1970℃，控制生长炉内压力20Torr，生长80小时后，以50℃/小时降温至室温，在坩埚顶盖下方生长得到一个直径为3英寸的15R-SiC单晶晶锭。

实施例4

使用如图1所示的PVT技术生长SiC体单晶的生长方法，在坩埚顶盖上粘结或固定一片3英寸15R-SiC籽晶，籽晶的（0001）Si面朝下，在坩埚下部加入粒径50微米的SiC粉料。将坩埚放入感应加热炉中，抽真空至10^-3Pa后，往炉内充入6.0×10⁴Pa的氩气，然后调整坩埚、保温材料和线圈的相对位置，控制坩埚顶盖实测温度1900℃、坩埚下部（即原料区）的温度为1850℃，控制生长炉内压力10Torr，生长100小时后，以100℃/小时降温至室温，在坩埚顶盖下方生长得到一个直径为3英寸的15R-SiC单晶晶锭。

对本发明制备的3英寸15R-SiC晶体进行切片、表面加工和表征，图2表示加工后晶片的的拉曼谱空间分布特征图，可以看到晶片的拉曼谱峰与15R标准谱峰完全匹配，说明所本发明所生长的15R-SiC晶体多型单一。

产业应用性：本发明的生长方法简单易操作，可以制备出大尺寸高质量的15R碳化硅晶体，为实现15R碳化硅晶体的商业量产提供了必要条件。

Claims

1.一种基于物理气相传输技术生长大尺寸15R碳化硅体单晶的方法，其特征在于，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述含碳和硅的原料包括碳化硅和/或碳粉与硅粉的混合物，所述原料中碳与硅的摩尔比为1:1～1:1.5。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述籽晶使用6H碳化硅Si面、4H碳化硅C面、15R碳化硅Si面或15R碳化硅C面作为籽晶。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的方法，其特征在于，所述坩埚的材料为石墨、钽或碳化钽。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的方法，其特征在于，所述晶体生长炉包括感应加热炉、石墨加热炉和W加热体炉。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的方法，其特征在于，所述预定量的惰性气体为10³~10⁶Pa的氩气和/氮气。

7.根据权利要求1～6中任一项所述的方法，其特征在于，所述设定的降温速率为50℃～2000℃/小时。

8.根据权利要求1～7中任一项所述的方法，其特征在于，生长48～200小时后，向所述晶体生长炉内充入10²~10⁶Pa的惰性气体后关闭电源或以设定的降温速率降低晶体生长炉温度。

9.根据权利要求1～8中任一项所述的方法，其特征在于，所述原料含还包括0～20mol%的氮。

10.根据权利要求1～8中任一项所述的方法，其特征在于，所述原料含还包括0～10mol%的钒。