CN106119951A - 低温高速生长SiC单晶的助熔剂 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及几种低温高速生长SiC单晶的助溶剂，属于晶体生长技术领域。本发明涉及的几种助溶剂为稀土金属镨（Pr）、铈（Ce）、镧（La）、镝（Dy）和铽（Tb），SiC单晶的生长方法为顶部籽晶溶液生长法。首先，将上述任意一种助溶剂与高纯硅（≥99.9999%）一起加热熔融，然后，将装有SiC籽晶的籽晶杆伸入到熔体液面下0.5~5cm处，旋转籽晶杆或者熔融容器进行SiC单晶的生长；晶体生长结束后将籽晶杆从熔体中移出；最后，用HNO3+HF的混酸去除SiC单晶表面的残留物得到高纯SiC单晶。
Description
技术领域
本发明涉及几种低温高速生长SiC单晶的助熔剂，属于晶体生长领域。
背景技术
SiC单晶属于第三代宽禁带半导体材料，具有禁带宽（Si的3倍）、热导率高（Si的3.3倍或GaAs的10倍）、电子饱和迁移速率高（Si的2.7倍）、击穿电场高（Si的10倍或GaAs的7倍）等性质，适合于制造高温、高压、高频、高功率、抗辐射、抗腐蚀的电子器件，可用于人造卫星、火箭、雷达与通讯、战斗机、海洋勘探、地震预报、石油钻井、汽车电子化等领域，弥补了传统半导体器件在实际应用中的缺陷。
制备块体SiC单晶的方法主要有物理气相传输法（PVT法）、高温化学气相沉积法和助熔剂法（或溶液生长法）。物理气相传输生长法是目前工业上生产大尺寸SiC单晶的方法。但该方法生长SiC单晶的能耗较高（温度通常高于2473K），晶体生长系统中气相复杂且较难控制，且产品具有微管密度高等晶体缺陷，导致SiC单晶片的价格十分昂贵。因此，如何降低SiC单晶的生产成本和提高SiC单晶的质量是物理气相传输生长法需要解决的关键问题。高温化学气相沉积法生长SiC单晶的温度较低（通常在1273-1773K），但该方法生长SiC单晶的速度较慢（小于70μm/h），如何提高晶体生长速度是该方法需要解决的难题。
助熔剂法是一种从饱和溶液中在籽晶上生长SiC单晶的方法。碳（C）和SiC在生长熔体中的溶解度对SiC单晶的生长速度影响最大。根据Si-C二元系相图，当温度小于2273K时，C在Si中的溶解度极低，SiC单晶的生长速度极慢，因此不能用Si-C熔体生长SiC单晶，但往Si-C熔体中添加某种助溶剂不仅可以降低熔体的液相线温度，还可以提高C和SiC在熔体中的溶解度，有利于提高SiC单晶的生长速度。因此，助熔剂法具有低温高速生长SiC单晶的条件，在未来有希望能够大幅度降低目前SiC单晶价格，促进SiC单晶在半导体领域的普及。
关于助熔剂法生长SiC单晶，目前已经报道的助熔剂有铬（Cr）、钛（Ti）、铁（Fe）、钪（Sc）、铝（Al）、钴（Co）等，涉及的生长熔体有Si-Cr-C、Si-Ti-C、Si-Fe-C、Si-Sc-C、Si-Al-C、Si-Co-C等。但C和SiC的溶解度在这些生长熔体中仍然非常有限。如何大幅度地提高C和SiC在生长熔体的溶解度是低温高速生长SiC单晶的关键问题，研究者仍需要继续对新型助熔剂进行探索和研究。
发明内容
本发明提供几种低温高速生长SiC单晶的助熔剂，为稀土金属镨（Pr）、铈（Ce）、镧（La）、镝（Dy）和铽（Tb）中的任意一种。
采用上述助熔剂制备SiC单晶的方法，具体步骤如下：
（1）首先将任意一种助熔剂（镨、铈、镧、镝或者铽）与高纯硅（≥99.9999%）（摩尔比为1:3~4:1）一起放入到高纯致密石墨坩埚中加热至熔融态，温度为1673~2073K，以高纯氩气作为保护气；
（2）待步骤（1）中的物料熔化后，将装有SiC籽晶的籽晶杆伸入到熔体液面下0.5~5cm处；
（3）旋转籽晶杆或者坩埚并升温进行SiC单晶的生长，温度梯度为5~50K/cm，生长时间为3~240h，籽晶杆或坩埚的旋转速度为1~40圈/min；
（4）晶体生长结束后，将籽晶杆从熔体中移出；
（5）用HNO3+HF的混酸（HNO3与HF体积比为2:1）去除SiC单晶表面的残留物得到SiC单晶。
本发明的有益效果是：
（1）本发明提供了几种新的生长SiC单晶的助熔剂，分别为镨（Pr）、铈（Ce）、镧（La）、镝（Dy）和铽（Tb）。
（2）采用本发明的助熔剂生长SiC单晶，生长速度与PVT法接近，但生长温度比PVT法低400~800K，即可实现低温高速生长SiC单晶。
（3）本发明的助熔剂在SiC单晶生长过程中起助熔作用（降低温度、提高C和SiC的溶解度），助熔剂本身不在SiC单晶生长过程中被消耗，可以重复循环使用。因此，本发明涉及的助熔剂法是一种低能耗、无污染、低成本、高效率的SiC单晶生长技术，有利于大幅度降低SiC单晶的价格，促进SiC单晶在半导体材料中的普及。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1所示，采用镨、铈、镧、镝和铽作为助熔剂制备SiC单晶，具体步骤如下：
（1）首先分别将一定量的镨、铈、镧、镝和铽与纯度为99.9999%的硅（摩尔比均为7:3，每种助熔剂单独进行1次SiC单晶的生长）放入到高纯致密石墨坩埚中加热至熔融态，其中温度均为2073K，保护气均为氩气；
（2）待步骤（1）中的各物料熔化后，将装有SiC籽晶[晶型为4H-SiC，(0001)方向]的籽晶杆自上往下伸入到熔体液面下0.5cm处；
（3）旋转熔体上端的籽晶杆并升温分别进行SiC单晶的生长，其中温度梯度均为5K/cm，生长时间均为3h，籽晶杆的旋转速度均为40圈/min；
（4）晶体生长结束后，将籽晶杆自下往上从熔体中移出；
（5）用HNO3+HF的混酸（HNO3与HF体积比为2:1）去除SiC单晶表面的残留物得到高纯SiC单晶；
（6）当助熔剂分别为镨、铈、镧、镝和铽时，SiC单晶的生长速度分别为392μm/h、428μm/h、338μm/h、365μm/h和413μm/h。
实施例2
如图1所示，采用镨、铈、镧、镝和铽作为助熔剂制备SiC单晶，具体步骤如下：
（1）首先分别将一定量的镨、铈、镧、镝和铽与纯度为99.9999%的硅（摩尔比均为4:1，每种助熔剂单独进行1次SiC单晶的生长）放入到高纯致密石墨坩埚中加热至熔融态，其中温度均为2073K，保护气均为氩气；
（2）待步骤（1）中的各物料熔化后，将装有SiC籽晶[晶型为4H-SiC，(0001)方向]的籽晶杆自上往下伸入到熔体液面下5cm处；
（3）旋转熔体上端的籽晶杆并升温分别进行SiC单晶的生长，其中温度梯度均为50K/cm，生长时间均为240h，籽晶杆的旋转速度均为40圈/min；
（4）晶体生长结束后，将籽晶杆自下往上从熔体中移出；
（5）用HNO3+HF的混酸（HNO3与HF体积比为2:1）去除SiC单晶表面的残留物得到高纯SiC单晶；
（6）当助熔剂分别为镨、铈、镧、镝和铽时，SiC单晶的生长速度分别为474μm/h、553μm/h、445μm/h、517μm/h和485μm/h。
实施例3
如图1所示，采用镨、铈、镧、镝和铽作为助熔剂制备SiC单晶，具体步骤如下：
（1）首先分别将一定量的镨、铈、镧、镝和铽与纯度为99.9999%的硅（摩尔比均为4:1，每种助熔剂单独进行1次SiC单晶的生长）放入到高纯致密石墨坩埚中加热至熔融态，其中温度均为1673K，保护气均为氩气；
（2）待步骤（1）中的各物料熔化后，将装有SiC籽晶[晶型为4H-SiC，(0001)方向]的籽晶杆自上往下伸入到熔体液面下1cm处；
（3）旋转坩埚并升温分别进行SiC单晶的生长，其中温度梯度均为50K/cm，生长时间均为240h，籽晶杆的旋转速度均为1圈/min；
（4）晶体生长结束后，将籽晶杆自下往上从熔体中移出；
（5）用HNO3+HF的混酸（HNO3与HF体积比为2:1）去除SiC单晶表面的残留物得到SiC单晶；
（6）当助熔剂分别为镨、铈、镧、镝和铽时，SiC单晶的生长速度分别为312μm/h、406μm/h、292μm/h、365μm/h和354μm/h。
实施例4
如图1所示，采用镨、铈、镧、镝和铽作为助熔剂制备SiC单晶，具体步骤如下：
（1）首先分别将一定量的镨、铈、镧、镝和铽与纯度为99.9999%的硅（摩尔比均为1:3，每种助熔剂单独进行1次SiC单晶的生长）放入到高纯致密石墨坩埚中加热至熔融态，其中温度均为1873K，保护气均为氩气；
（2）待步骤（1）中的各物料熔化后，将装有SiC籽晶[晶型为4H-SiC，(0001)方向]的籽晶杆自上往下伸入到熔体液面下3cm处；
（3）旋转坩埚并升温分别进行SiC单晶的生长，其中温度梯度均为30K/cm，生长时间均为120h，籽晶杆的旋转速度均为20圈/min；
（4）晶体生长结束后，将籽晶杆自下往上从熔体中移出；
（5）用HNO3+HF的混酸（HNO3与HF体积比为2:1）去除SiC单晶表面的残留物得到SiC单晶；
（6）当助熔剂分别为镨、铈、镧、镝和铽时，SiC单晶的生长速度分别为137μm/h、177μm/h、164μm/h、112μm/h和109μm/h。
Claims (8)
1.低温高速生长SiC单晶的助熔剂，为稀土金属镨、铈、镧、镝、铽中的任意一种。
2.采用权利要求1所述的助熔剂制备SiC单晶的方法，具体步骤如下：
（1）将助熔剂与高纯硅一起加热至熔融态，以惰性气体作为保护气；
（2）待步骤（1）中的物料完全熔化后，将装有SiC籽晶的籽晶杆伸入到熔体液面下0.5~5cm处；
（3）旋转籽晶杆或者熔融容器并升温进行SiC单晶的生长；
（4）晶体生长结束后，将籽晶杆从熔体中移出；
（5）用HNO3+HF的混酸去除SiC单晶表面的残留物得到SiC单晶。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，高纯硅中硅的含量不低于99.9999%。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤（1）中助熔剂与高纯硅的摩尔比为1:3~ 4:1。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤（1）中加热温度为1673~2073K。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤（1）中的惰性气体为高纯氩气。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤（3）中升温的温度梯度为5~50K/cm，生长时间为3~240h，籽晶杆或熔融容器的旋转速度为1~40圈/min。
8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤（5）中HNO3+HF的混酸HNO3与HF体积比为2:1。
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