CN111270304A

CN111270304A - 一种制备4h碳化硅单晶的方法

Info

Publication number: CN111270304A
Application number: CN202010230813.5A
Authority: CN
Inventors: 刘欣宇; 袁振洲
Original assignee: Jiangsu Super Core Star Semiconductor Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Super Core Star Semiconductor Co Ltd
Priority date: 2020-03-27
Filing date: 2020-03-27
Publication date: 2020-06-12

Abstract

本发明属于晶体生长技术领域，提供了一种制备4H碳化硅单晶的方法，以碳化硅粉料作为原料，采用物理气相传输法制备碳化硅单晶，在所述碳化硅粉料中添加有含有稀土元素的稀土物质。本发明提供的制备4H碳化硅单晶的方法，通过在制备碳化硅单晶的原料碳化硅粉料中添加稀土物质，可以100％稳定生长4H‑SiC晶体。

Description

一种制备4H碳化硅单晶的方法

技术领域

本发明涉及晶体生长技术领域，具体涉及一种制备4H碳化硅单晶的方法。

背景技术

碳化硅单晶具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率大和介电常数小及物理和化学性能稳定等独特的性能，被认为是制造高温、高压、高频大功率器件等理想的半导体材料。

碳化硅(SiC)是一种典型的同质多型体。SiC多型晶体的晶格常数“a”可看作常数，而“c”则是多值量，由此构成了一个同质多型集合{SiC_i}＝{SiC₁，···，SiC_n}(n>200)。常见的SiC晶型有3层堆垛的立方体结构的3C型SiC、4层堆垛的六方体结构的4H型SiC、15层堆垛的菱面体结构的15R型SiC等。其中，4H型SiC(4H-SiC)具有高临界击穿电场、高电子迁移率的优势，是制造高压、高温、抗辐照功率半导体器件的优良半导体材料。

由于碳化硅晶格常数“a”基本相等，SiC同质异形晶体的形成自由能很接近(G1－Gn 0.02)，因此在制备4H-SiC晶体的生长过程中，很容易出现3C、6H、15R等多种晶型，引起晶体相变的发生。因此如何制备无相变单一晶型的4H-SiC晶体是困扰业界的一个难题。

现有技术中大多通过控制温度、压强、碳/硅比等方法来获得单一晶型的4H-SiC晶体，但这些方法过程复杂、重复率低、稳定性差，无法100％有效的解决这个问题。因此需要一种快速有效的方法制备100％4H-SiC。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种制备4H碳化硅单晶的方法，可以高效稳定制备100％4H-SiC。

本发明提供一种制备4H碳化硅单晶的方法，以碳化硅粉料作为原料，采用物理气相传输法制备碳化硅单晶，在所述碳化硅粉料中添加有含有稀土元素的稀土物质。

可选地，所述稀土物质为镧系元素单质或镧系元素化合物或前述二者的混合物。

可选地，所述镧系元素化合物包括镧系元素氧化物、镧系元素氮化物、镧系元素碳化物或镧系元素硅化物。

可选地，所述镧系元素包括镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕。

可选地，所述稀土物质包括镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、氧化镧、氧化铈、氧化镨、氧化钕、氧化钷、氧化钐、氧化铕、氮化镧、氮化铈、氮化镨、氮化钐、氮化铕、碳化镧、碳化铈、碳化钕、硅化镧、硅化铈、硅化镨、硅化钕和硅化铕中的一种或多种的混合物。

可选地，所述稀土物质被均匀撒在所述碳化硅粉料的表面。

可选地，所述稀土物质与所述碳化硅粉料均匀混合。

可选地，所述稀土物质与所述碳化硅粉料的质量比为1:100～1:100000。

由上述技术方案可知，本发明提供的制备4H碳化硅单晶的方法，通过在制备碳化硅单晶的原料碳化硅粉料中添加稀土物质，可以100％稳定生长4H-SiC晶体。

本发明的制备4H碳化硅单晶的方法，简单可行，利于操作，且操作可控，可100％获得无相变单一晶型的4H-SiC晶体。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1是本申请实施例1所制备的碳化硅晶体的拉曼散射光谱图；

图2是本申请实施例2所制备的碳化硅单晶的拉曼散射光谱图；

图3是本申请实施例2所制备的碳化硅单晶的全晶片拉曼散射光谱图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只是作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

实施例1

实施例1提供了一种以未添加任何稀土物质的碳化硅粉料作为原料，采用物理气相传输法制备碳化硅单晶。具体操作如下：

S1.将装有碳化硅粉料的坩埚放置于碳化硅单晶炉中，对所述碳化硅单晶炉抽真空至单晶炉中的压力小于3×10^-5Pa；

S2.向所述的单晶炉中通入氩气气体，通入流量为2slm，直至单晶炉中的压力为80000pa结束；

S3.将所述单晶炉抽真空至炉中压力小于3×10^-5pa；

S4.重复2-3步2-5次；

S5.以10℃/min的速率加热所述碳化硅单晶炉至碳化硅生长温度2200℃；

S6.向所述的单晶炉通入氩气和氮气，氩气流量为1000sccm，氮气流量为5sccm，将单晶炉中的压力稳定在1100pa；

S7.稳定上述参数进行碳化硅晶体生长100小时；

S8.晶体生长完毕后，停止通入氩气和氮气；

S9.以20℃/min的速率对所述碳化硅单晶炉降温至室温；

S10.向所述的单晶炉中通入氩气气体至大气压，打开碳化硅单晶炉，取出装有碳化硅晶体的坩埚；

S11.打开上述坩埚，取出碳化硅单晶。

实施例2

实施例2与实施例1的技术方案基本相同，区别在于实施例2的原料是将碳化硅粉料预先与镧粉混合均匀，再进行后续的碳化硅制备工艺，镧粉与碳化硅粉料的质量比为1:100。

实施例3

实施例3与实施例1的技术方案基本相同，区别在于实施例3的原料碳化硅粉料表面撒了一层镧粉，镧粉与碳化硅粉料的质量比为1:1000。

实施例4

实施例4与实施例1的技术方案基本相同，区别在于实施例4的碳化硅粉料表面撒了一层镧粉，镧粉与碳化硅粉料的质量比为1:10000。

实施例5

实施例5与实施例1的技术方案基本相同，区别在于实施例5的碳化硅粉料表面撒了一层镧粉，镧粉与碳化硅粉料的质量比为1:100000。

实施例6-33

实施例6-33与实施例2的技术方案基本相同，区别在于各个实施例在碳化硅粉料表面添加不同的稀土物质，实施例1-实施例31的各具体参数参见表1。

表1

拉曼(Raman)散射是1928年印度物理学家拉曼发现的，它是分子对入射光所产生的频率发生较大变化的一种散射现象，由于每一种物质(分子)有自己的特征拉曼光谱，且每一种物质的拉曼频率位移与入射光的频率无关，因此可以用拉曼光谱鉴别SiC不同的晶型。

分别对实施例1和实施例2所制备的SiC单晶进行拉曼光谱检测。图1是本申请实施例1所制备的碳化硅晶体的拉曼散射光谱图。参见图1，拉曼光谱的主要特征峰分别为204cm^-1、789cm^-1、964cm^-1。表明晶体既存在4H-SiC也存在6H-SiC，经详细计算，其中晶体内4H-SiC占比约为55％。

图2是本申请实施例2所制备的碳化硅单晶的拉曼散射光谱图。参见图2，拉曼光谱的主要特征峰分别为204cm^-1、265cm^-1、610cm^-1、777cm^-1、797cm^-1、967cm^-1。均符合4H-SiC晶体的拉曼特征峰，这说明所测产品为4H-SiC。

为了防止SiC晶片中局部出现非4H-SiC晶型的情况，对实施例2的SiC晶片进行全晶片拉曼检测。将所测晶片划分成4mm X 4mm的若干区域，对每个区域进行拉曼散射光谱检测。如单个区域的扫描结果为4H-SiC，则在最终的二维拉曼阵图上显示为红色。图3是本申请实施例2所制备的碳化硅单晶的全晶片拉曼散射光谱图。如图3所示，实施例2的整个区域为100％4H-SiC。也就是说，实施例2所制备的SiC为100％4H-SiC。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的数值并不限制本发明的范围。在这里示出和描述的所有示例中，除非另有规定，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims

1.一种制备4H碳化硅单晶的方法，其特征在于，以碳化硅粉料作为原料，采用物理气相传输法制备碳化硅单晶，在所述碳化硅粉料中添加有含有稀土元素的稀土物质。

2.根据权利要求1所述的制备4H碳化硅单晶的方法，其特征在于，所述稀土物质为镧系元素单质或镧系元素化合物或前述二者的混合物。

3.根据权利要求2所述的制备4H碳化硅单晶的方法，其特征在于，所述镧系元素化合物包括镧系元素氧化物、镧系元素氮化物、镧系元素碳化物或镧系元素硅化物。

4.根据权利要求3所述的制备4H碳化硅单晶的方法，其特征在于，所述镧系元素包括镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕。

5.根据权利要求1所述的制备4H碳化硅单晶的方法，其特征在于，所述稀土物质包括镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、氧化镧、氧化铈、氧化镨、氧化钕、氧化钷、氧化钐、氧化铕、氮化镧、氮化铈、氮化镨、氮化钐、氮化铕、碳化镧、碳化铈、碳化钕、硅化镧、硅化铈、硅化镨、硅化钕和硅化铕中的一种或多种的混合物。

6.根据权利要求1所述的制备4H碳化硅单晶的方法，其特征在于，所述稀土物质被均匀撒在所述碳化硅粉料的表面。

7.根据权利要求1所述的制备4H碳化硅单晶的方法，其特征在于，所述稀土物质与所述碳化硅粉料均匀混合。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的制备4H碳化硅单晶的方法，其特征在于，所述稀土物质与所述碳化硅粉料的质量比为1:100～1:100000。