CN113818081A - 半绝缘单晶碳化硅块材以及粉末 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种半绝缘单晶碳化硅块材以及粉末，包括单一多形体的单晶，半绝缘单晶碳化硅块材内具有硅空缺，其中硅空缺浓度大于5E11cm^‑3。

Description

半绝缘单晶碳化硅块材以及粉末

技术领域

本申请涉及碳化硅的技术领域，尤其涉及一种具备高硅空缺浓度的半绝缘单晶碳化硅块材以及粉末。

背景技术

半导体材料历经三个发展阶段，第一代是硅(Si)、锗(Ge)等基础功能材料；第二代开始进入由二种以上元素组成的化合物半导体材料，以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)等为代表；第三代则是氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)等化合物半导体材料。第三代半导体材料属于宽能带隙材料，具有高频、耐高电压、耐高温等优势，且导电性、散热性佳，可降低能量耗损，组件体积相对较小，适合功率半导体应用。但是碳化硅的生产条件的控制难度大，导致碳化硅晶圆量产不易，直接影响了终端芯片与应用的发展。

物理气相传输法(physical vapor transport,PVT)是目前商业量产碳化硅晶体的主流方法。一般而言，利用物理气相传输法生长碳化硅晶体过程为先准备一晶种，将晶种置于坩埚中，该坩埚包括一成长室、一固持器及一料源容器。固持器位于成长室上方，用于固定晶种，并设置于提供温度梯度的热场装置的相对冷端。料源容器位于成长室下方，用以容纳材料源，将碳化物原料盛装于料源容器内，将原料由固体升华为气体分子，将升华的气体分子传送并沉积晶种芯片上，使晶体生长。

为了制造高电阻率的碳化硅晶圆，先前技术主要是使用高纯度的原料以及深能级掺杂剂如钒掺杂来制作，在长晶过程中提供反应气体与浅能级导电元素结合并辅以外加工艺，退火工艺或中子轰击等使晶圆具备高阻率特性。但是当生长晶体尺寸增加后，先前技术的方法并不足以提供有效的大尺寸晶体均匀电阻率及良率，且会增加工艺成本。此外，受限于长晶设备的因素，尺寸越大(例如大于4英吋)的晶体越难制作，良率也不易提升。

而在碳化硅原料部分，一般生成的高纯度碳化硅原料多为多晶型态存在，因此仅能作为高纯度碳化硅长晶原料，产量少、成本高、应用受限。

发明内容

鉴于上述习知技术的缺点，本申请提供一种高电阻率单晶碳化硅块材以及粉末，特别是一种具备硅空缺的高纯度半绝缘单晶碳化硅块材。

根据本申请实施例公开的一种半绝缘单晶碳化硅块材，包括单一多形体的单晶，该半绝缘单晶碳化硅块材内具有硅空缺，其中硅空缺浓度至少大于

5E11cm^-3。

根据本申请公开的大尺寸的高纯度半绝缘单晶碳化硅块材或粉末，其高电阻率特性由晶体本征缺陷(亦即硅空缺)浓度主导，于晶体生长过程中即可完成，由此碳化硅块材所制作的晶圆不须额外进行退火工艺或中子轰击工艺。而在现有技术中，碳化硅的硅空缺浓度约为2E11cm^-3至3E11cm^-3。本申请公开的碳化硅块材或碳化硅粉末的硅空缺浓度至少大于5E11cm^-3。

本申请的其他优点将搭配以下的说明和图式进行更详细的解说。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是本申请用于成长高纯度半绝缘单晶碳化硅晶体的成长系统的示意图；

图2是本申请的第一实施例中的高纯度半绝缘单晶碳化硅晶体的电阻率量测结果；

图3是本申请的第一实施例中的高纯度半绝缘单晶碳化硅晶体的微管密度；

图4是本申请的第一实施例中的高纯度半绝缘单晶碳化硅晶体的电子顺磁共振光谱；

图5是本申请的第二实施例中的高纯度半绝缘单晶碳化硅晶体的电阻率量测结果；

图6是本申请的第二实施例中的高纯度半绝缘单晶碳化硅晶体的微管密度；

图7是本申请的第二实施例中的高纯度半绝缘单晶碳化硅晶体的硅空缺；

图8是本申请的第二实施例的碳化硅芯片的硅空缺浓度；

图9是本申请的第二实施例的电子顺磁共振光谱；

图10是本申请的第二实施例的碳化硅芯片的光致发光光谱；

图11是本申请的第一实施例的PL/TO比率；

图12是本申请的第三实施例的高纯度半绝缘单晶碳化硅芯片的微管密度；

图13是本申请的第四实施例的高纯度半绝缘单晶碳化硅芯片的微管密度；

图14至17分别是本申请的第五实施例的半绝缘单晶碳化硅块材的各切片硅空缺浓度；

图18是本申请的第六实施例的半绝缘单晶碳化硅粉末的加工示意图；

图19是本申请的第六实施例的半绝缘单晶碳化硅余料的硅空缺浓度；

图20是本申请的第六实施例的半绝缘单晶碳化硅余料的各切片硅空缺；以及

图21是本申请的第六实施例的半绝缘单晶碳化硅粉末的波长与发光强度关系示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通技术人员基于本申请中的实施例所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

必须了解的是，使用于本说明书中的“包括”、“包含”等词，用以表示存在特定的技术特征、数值、方法步骤、作业处理、组件以及/或组件，但并不排除可加上更多的技术特征、数值、方法步骤、作业处理、组件、组件，或以上的任意组合。

本申请公开一种大尺寸、高电阻率、低缺陷的高纯度半绝缘单晶碳化硅块材，通过物理气相传输法(physical vapor transport，PVT)成长高纯度单晶系统中，利用控制高纯度长晶原料的Si/C比例及粒径分布，在晶体生长过程中控制长晶温度及时间，使系统中成为富碳(C-rich)环境。在浅能级导电元素稀缺的状态下，可以于晶体内生成本征缺陷硅空缺并控制硅空缺浓度。以本征缺陷做为其主导提升电阻率的机制，以达到半绝缘晶圆的电性范围。此外，因使用高纯度原料，于长晶过程中排除了杂质导入晶体的机率，因此本申请公开一种高纯度半绝缘单晶碳化硅块材的微管缺陷低于3cm^-2。

此处所称的大尺寸是指直径至少4英吋，或者4英吋至6英吋，且厚度至少350um的高纯度半绝缘单晶碳化硅芯片(晶圆)。而高纯度是指长晶原料的纯度>99.99％。而高电阻率是指电阻率大于1E7 ohm-cm或者在室温下至少1E7ohm-cm。此外，说明书实施例中所指的晶体是指由碳化硅成长系统制作的碳化硅晶体，而对碳化硅晶体切割后的成品一般称作芯片或者晶圆(Wafer)。

本申请的高纯度半绝缘单晶碳化硅晶体或硅芯片的高电阻率特性由晶体或芯片内的本征缺陷(硅空缺)浓度主导，硅空缺在晶体生长过程中即可完成，不须额外进行退火工艺或中子轰击工艺，因此简化了工艺。

参考图1，为本申请用于成长高纯度半绝缘单晶碳化硅晶体的成长系统的示意图。如图所示，成长系统包括有坩埚2、保温材3与加热器7。坩埚2用于使晶种1通过材料源6以长晶。保温材3设置于坩埚2外部，图式中绘示的保温材3是包覆于坩埚2的外部，但实际上也不一定要包覆于坩埚2外部，只要可以达到温度保持的效果即可，因此图示中仅为示意。加热器7用以提供热源，图示中绘示的加热器7是复数个，也可以视系统配置，设置为一个，图示中的数量仅为示意说明，并非限制加热器7实际的设置数量。加热器7可以使用高周波加热器或者电阻式加热器，更具体的实施例中，加热器7可使用加热线圈或加热电阻丝(网)。

坩埚2的内部上方配置有固持器4，固持器4用于固定晶种1。坩埚2的内部下方可配置材料源6，晶种1与材料源6的空间可以做为碳化硅晶体的成长区5。放置晶种1的区域可以定义为晶种区，放置材料源6的区域可以定义为料源区。因此一个空的坩埚2内部是具有晶种区、料源区以及成长区。在一非限定的实施例中，坩埚2可为石墨坩埚，保温材3可为石墨毯、多孔性绝热碳材。

在实施例中，晶种可使用碳化硅，本申请所使用的晶种可以是一厚度350μm以上，直径4英吋到6英吋以上单晶晶圆片，用以成长相对应尺寸以上的单晶晶体。单晶晶圆片可以是碳化硅。而坩锅内容纳材料源的料源区可使用碳化硅，料源形态可以是粉状、粒状、或块状，纯度为>99.99％，其结晶相可以为α相或β相，硅碳比例(Si/C ratio)可以为0.95至1.05。

透过坩埚2的构型、保温材3的构型及加热器7来控制坩埚2内温度分布、气氛流动及料源的升华过程，将升华的气体分子传送并沉积在晶种1(芯片)上而制成碳化硅晶体。在长晶过程的一实施例中，工艺条件为控制坩埚内底部到晶种区的温差范围为10℃至300℃，氩气流量范围控制在100至1000sccm，压力范围控制在1至200torr，长晶时晶种温度范围控制于2000℃至2270℃之间。其中最重要的是控制料源的纯度及型态、长晶温度区间、及长时间长晶，以先消耗系统内部导电元素后，当晶体内部本征缺陷生成后便可主导晶体电性表现。

根据前述实施例成长系统所形成的高纯度半绝缘单晶碳化硅晶体，其透过在晶种的生长表面上沉积含Si和C的蒸气物质生长，包括单一多形体的单晶，该高纯度半绝缘单晶碳化硅晶体内具有硅空缺，其中硅空缺浓度至少大于5E11cm^-3，小于5E13cm^-3。在先前技术中，通常，碳化硅芯片中固有的硅空位浓度约为2E11cm^-3至3E11cm^-3。

在一实施例中，根据前述实施例成长系统所形成的高纯度半绝缘单晶碳化硅晶体，其直径大于等于90毫米。

在一实施例中，根据前述实施例成长系统所形成的高纯度半绝缘单晶碳化硅晶体，其直径小于等于200毫米。

在一实施例中，根据前述实施例成长系统所形成的高纯度半绝缘单晶碳化硅晶体，其电阻率大于1E7 ohm-cm。

在一实施例中，根据前述实施例成长系统所形成的高纯度半绝缘单晶碳化硅晶体，其微管密度少于每平方厘米3个。

在一实施例中，根据前述实施例成长系统所形成的高纯度半绝缘单晶碳化硅晶体，其微管密度少于每平方厘米2个。

在一实施例中，根据前述实施例成长系统所形成的高纯度半绝缘单晶碳化硅晶体，其微管密度少于每平方厘米1个。

在一实施例中，根据前述实施例成长系统所形成的高纯度半绝缘单晶碳化硅晶体，其微管密度少于每平方厘米0.4个。

在一实施例中，根据前述实施例成长系统所形成的高纯度半绝缘单晶碳化硅晶体，其微管密度少于每平方厘米0.1个。

在一实施例中，根据前述实施例成长系统所形成的高纯度半绝缘单晶碳化硅晶体，其所包括的单一多形体的单晶选自碳化硅的3C，4H，6H和15R多形体，其中4H多形体是目前最优选的。芯片可以选自碳化硅的3C，4H，6H和15R多形体，其中4H多形体是目前最优选的。可获得的芯片是沿轴取向的，例如正轴取向，或者多种离轴取向的，比如(但不限于)选自4°和3.5°和2°。

在一实施例中，根据前述实施例成长系统所形成的高纯度半绝缘单晶碳化硅晶体的厚度至少8mm。

在一实施例中，根据前述实施例成长系统所形成的高纯度半绝缘单晶碳化硅晶体的厚度为8mm至30mm。

以下的实施例说明本申请公开的高纯度半绝缘单晶碳化硅晶体的具体工艺，通过物理气相传输法(physical vapor transport,PVT)，使用高纯度长晶原料及部件、调整工艺窗口及时间，除晶体生长过程中可以有效抑制杂质及导电元素进入晶体内，提升晶体质量，并辅以热场优化及工艺控制，除使整体的长晶生长面更平坦外，并使晶体本征缺陷浓度提升，达到4到6英吋碳化硅晶体电阻率至1E7 ohm-cm。

第一个实施例说明利用图1的成长系统成长6英吋单晶碳化硅晶体。本实施例使用的起始原料为纯度99.99％以上的高纯度碳化硅粉料，平均粒度为5至20mm，初始硅/碳比为1，长晶后重新测量余料的硅/碳比下降至0.85。

搭配上述碳化硅料源以PVT法制备4H-SiC单晶晶体，生长工艺于高温真空感应炉中的石墨坩埚进行，晶种长晶温度约为2100℃，系统使用Ar为载体气体，其系统长晶时压力约为5torr，生长时间为150小时。使用约500μm碳化硅单晶晶圆片作为晶种。

首先进行抽气工艺，将4H-SiC晶种以固持器加以固定，然后进行抽气，以移除坩埚系统内的空气及其他杂质。抽完气后，进行加热工艺。于加热工艺中，加入惰性气体Ar作为辅助气体，并使用加热线圈加热整个系统，加热至约2100℃并持续长晶时间长达150小时。透过第一实施例的工艺条件可产出晶体界面形状为凸界面的6英吋单晶碳化硅晶球，其晶体生长速率可达100-250μm/hr。

成长完后的晶体，可以对其进行电阻率、微管密度、杂质元素或者硅空缺的测量。将成长后的晶体进行切片研磨后得到芯片(或称晶圆)，芯片不须退火即可进行电阻率量测。量测6英吋芯片中心140mm区域，电阻值皆大于1E7ohm-cm，如图2所示。

使用X光拓朴仪分析6英吋芯片，得到微管数量为10，整体6英吋微管密度为微管数量/6英吋晶圆面积，即为10/(7.5*7.5*3.1416)＝10/176.75＝0.056，亦即这个实施例的微管密度少于每平方厘米0.1个，如图3所示。

使用辉光放电质谱(Glow Discharge Mass Spectrometer，GDMS)及二次离子质谱(Secondary Ion Mass Spectroscopy，SIMS)分析6英吋晶圆的杂质元素，可得到如下表的结果，其中，N元素使用SIMS量测，其他元素使用GDMS量测，提供ppm及离子浓度两种单位，晶体内导电性杂质元素含量皆小于5E15cm^-3。

晶体编号	实施例1
		元素	GDMS(ppm/cm^-3)
N	SIMS:4.30E+15
		B	0.02(3.76E+15)
Al	0.04(2.87E+15)
		P	<0.05(<3.14E+15)
Ti	<0.01(<4.04E+14)
		V	<0.01(<3.38E+14)
Fe	<0.1(<3.46E+15)
		Ni	<0.05(<1.67E+15)

对6英吋晶圆进行电子顺磁共振(EPR)光谱分析，可得晶体中主要缺陷为硅空缺，如图4所示，利用光学检测的结果，图中所示的硅空缺浓度为5.22E11cm^-3至1.02E12 cm^-3。

第二个实施例说明利用图1的成长系统成长4英吋单晶碳化硅晶球。本实施例使用的起始原料为纯度99.99％以上的高纯度碳化硅粉料，平均粒度为100至300μm，初始硅/碳比为1，长晶后重新测量余料的硅/碳比下降至0.87。

搭配上述碳化硅料源以PVT法制备4H-SiC单晶晶体，生长工艺于高温真空感应炉中的石墨坩埚进行，而晶种长晶温度约为2180℃，系统使用Ar为载体气体，其系统长晶时压力约为5torr，生长时间为200小时，使用约500μm碳化硅单晶晶圆片作为晶种。

首先进行抽气工艺，将4H-SiC晶种以固持器加以固定，然后进行抽气，以移除坩埚系统内的空气及其他杂质。抽完气后，进行加热工艺。于加热工艺中，加入惰性气体Ar作为辅助气体，并使用加热线圈加热，整个系统加热至约2100℃并持续长晶时间长达200小时。透过第二实施例的工艺条件可产出晶体界面形状为凸界面的直径>140mm的单晶碳化硅晶球，其晶体生长速率可达100-250μm/hr。

成长完后的晶体，可以对其进行电阻率、微管密度、杂质元素或者硅空缺的测量。将成长后的晶体进行切片研磨后得到芯片(或称晶圆)，芯片，不须退火即可进行电阻率量测。量测4英吋晶圆中心90mm区域，电阻值皆大于1E11ohm-cm，如图5所示。

使用X光拓朴仪分析4英吋芯片，得到微管数量为1，整体4英吋微管密度为微管数量/4英吋晶圆面积，即为1/(5*5*3.1416)＝1/78.54＝0.012，亦即这个实施例的微管密度少于每平方厘米0.02个，如图6所示。

使用GDMS及SIMS分析6英吋晶圆的杂质元素，可得到如下表的结果，晶体内导电性杂质元素含量皆小于1E16cm^-3。

晶体编号	实施例2
		元素	GDMS(ppm/cm^-3)
N	SIMS:1.90E+15
		B	0.04(6.93E+15)
Al	0.03(2.10E+15)
		P	<0.05(<3.14E+15)
Ti	<0.01(<4.04E+14)
		V	<0.01(<3.38E+14)
Fe	<0.1(<3.46E+15)
		Ni	<0.05(<1.67E+15)

对4英吋晶圆进行EPR分析，可得晶体中主要缺陷为硅空缺，如图7所示，利用光学检测的结果，图中所示的硅空缺浓度为7.07E12 cm^-3。

我们将第二实施例的晶体中进行切割，并且对不同位置的切片进行硅空缺浓度分析，如图8所示。以图1的成长系统为例，较靠近晶种的切片编号为1，一共切割20片，亦即图8横轴的编号。由晶种至长晶表面，硅空缺浓度分别为1.9E12cm^-3、7E12 cm^-3、5.9E12 cm^-3、及3.3E12 cm^-3。

根据前述实施例的高纯度半绝缘单晶碳化硅芯片，包括单一多形体的单晶，该高纯度半绝缘单晶碳化硅芯片内具有硅空缺，其中硅空缺浓度至少大于5E11cm^-3，小于5E13cm^-3。

在一实施例中，根据前述实施例的高纯度半绝缘单晶碳化硅芯片，其直径大于等于90毫米。

在一实施例中，根据前述实施例的高纯度半绝缘单晶碳化硅芯片，其直径小于等于200毫米。

在一实施例中，根据前述实施例成长系统所形成的高纯度半绝缘单晶碳化硅芯片，其电阻率大于1E7 ohm-cm。

在一实施例中，根据前述实施例的高纯度半绝缘单晶碳化硅芯片，其微管密度少于每平方厘米3个。

在一实施例中，根据前述实施例的高纯度半绝缘单晶碳化硅芯片，其微管密度少于每平方厘米2个。

在一实施例中，根据前述实施例的高纯度半绝缘单晶碳化硅芯片，其微管密度少于每平方厘米1个。

在一实施例中，根据前述实施例的高纯度半绝缘单晶碳化硅芯片，其微管密度少于每平方厘米0.4个。

在一实施例中，根据前述实施例的高纯度半绝缘单晶碳化硅芯片，其微管密度少于每平方厘米0.1个。

在一实施例中，根据前述实施例成长系统所形成的高纯度半绝缘单晶碳化硅芯片，其所包括的单一多形体的单晶选自碳化硅的3C，4H，6H和15R多形体，其中4H多形体是目前最优选的。芯片可以选自碳化硅的3C，4H，6H和15R多形体，其中4H多形体是目前最优选的。可获得的芯片是沿轴取向的，例如正轴取向，或者多种离轴取向的，比如(但不限于)选自4°和3.5°和2°。

依据本申请的芯片适合用于高频功率器件，高功率器件，高温器件、光电子器件以及III族氮化物的沈积。

依据本申请的芯片适合作为单光子光源，亦即量子计算机的集成电路基板。

参考图9，展示了第二实施例的电子顺磁共振(EPR)光谱。将样品切成5.5cm×7mm的尺寸，并用9.70396×1E9 Hz的微波照射。在光谱中，碳化硅芯片在300K温度下在3460.70343G处产生零点。通过公式hυ＝gμBB(h：普朗克常数，υ：频率；g：g因子；μB：Bohr磁子；B：磁场)进行计算后，实施例211芯片的g因子为2.00343，这意味着硅空位包含在碳化硅中(硅空位的信号为g＝2.0032±0.0004)。

参考图10，是第二实施例的芯片的光致发光光谱。某些拉曼信号对掺杂浓度和空位浓度不敏感例如，横向-光学模式。对于785nm激光激发，在851nm波长处是LO模式，在838nm波长处是4H-SiC的TO模式。在图9中，实施例二19的光致发光与LO模式拉曼信号的比(比率(PL/LO))为5.1。因此，实施例二中的硅空位密度约为5.1÷0.7＝7.29(×1E12cm^-3)。实际上，LO模式峰值的强度和波数受掺杂浓度的影响很大，并导致难以通过比率(PL/LO)来推测SiC的空位密度。为了测量不同的电阻率SiC，使用TO模式的光致发光信号来测量硅空位浓度，因为它在不同芯片中的稳定性和与光致发光相同的测量面积。在图9中，实施例二的光致发光和TO模式拉曼信号的比率(比率(PL/TO))为4.50。结果，可以通过以下公式计算4H-SiC中的硅空位密度：V_Si的密度＝PL/TO×7.29÷4.47＝PL/TO×1.63。PL/TO比率为所对应的激发光的峰值除以激发光谱中拉曼散射TO模态的峰值(840nm附近)，由此计算可得单位晶格硅空缺致发光的硅空缺密度(1PL/TO→1.630*10^12/cm^3)。

同样的方式测试实施例一，其系列中的平均空位密度最大值为3.26×1E12cm^-3。

图11为第一实施例的PL/TO比率。以第一实施例为例，选定九个测量点，PL/TO比率如图所示，而ABCDEFGHI九个测量点的PL/TO比率、硅空缺浓度与电阻率数值如下表：

图12为本申请第三实施例，其直径为60mm，图13为本申请第四实施例，其直径为120mm，图12与图13显示微管密度(Micro-pipe density，MPD)。图标中将碳化硅芯片区分成多个方格，方格里的数字代表微管数量。第三实施例的微管数量为60，除以芯片面积，可以得到微管密度为2.1/cm^2。第四实施例的微管数量为56个，除以芯片面积，可以得到微管密度为0.5/cm^2。

本申请在高纯度长晶系统下，利用控制高纯度长晶原料的Si/C比例及粒径分布，在晶体生长过程中控制长晶温度及时间，使成长系统中成为富碳(C-rich)环境。在浅能级导电元素稀缺的状态下，可以于晶体内生成本征缺陷硅空缺并控制硅空缺浓度，以本征缺陷做为其主导提升电阻率的机制，以达到半绝缘晶圆的电性范围。

第五实施例说明利用图1的成长系统成长6英吋单晶碳化硅块材。这个单晶碳化硅块材可以作为第一实施例至第四实施例中所提到的晶体以及芯片的原料。也就是说，第一实施例至第四实施例中所提到的晶体以及芯片可以由本实施例的块材加工而得，或者是利用与本实施例类似的方式所获得的块材加工而得。举例而言，碳化硅的原料升华或是气相碳源及硅源反应后在晶种上沉积并成长成碳化硅块材。在沉积或生长时间较短时，块材的厚度可以是10um、20um或是30um，其形状类似薄膜。随着沉积或生长时间的增加，块材的厚度逐渐增加至8mm至3cm之间，并形成大块的晶体，这个晶体可以是前述实施例中所提到的晶体。进一步地，块材的厚度可以在10um至5cm之间，其中薄的称为薄膜，而厚的被称为晶体。更进一步地，块材还可以透过半导体工艺加工成芯片(或称晶圆)。不仅于此，块材除了可以作为前述实施例的芯片或晶体的原料，亦可以作为碳化硅粉末的原料，这些将在下文中进一步解释。

在本实施例中，半绝缘单晶碳化硅块材是通过PVT法所制备，且生长的工艺是在高温真空感应炉中的石墨坩埚进行。透过这样的方式能够得到4H-SiC的单晶。具体而言，所使用的原料为纯度99.99％以上的高纯度碳化硅粉料，其平均粒度为5至20mm，初始硅/碳比为1，且长晶后重新测量余料的硅/碳比下降至0.85。以下为工艺步骤：首先将碳化硅粉料盛装于石墨容器内并导入高温真空感应炉中的相对热端，再将晶种放置于高温真空感应炉中的相对冷端，晶种可以是6吋SiC的4H-SiC单晶晶圆或4H-SiC单晶晶锭，且厚度约为500μm。接着将晶种以固持器加以固定，然后进行抽气，以移除坩埚系统内的空气及其他杂质。在加热工艺中，加入惰性气体Ar，并添加氢气、甲烷以及氨作作为辅助气体，通过加热线圈加热整个系统，加热至约2200℃并持续长晶时间长达150小时，且系统长晶时压力约为5torr。透过第五实施例的工艺条件可产出块材界面形状为凸界面的6英吋单晶碳化硅晶球，其晶体生长速率可达300μm/hr。

应当注意的是，本实施例中所提到的方式仅是制备半绝缘单晶碳化硅块材的其中一种方式，亦即，本实施例中所提供的半绝缘单晶碳化硅块材可以由其他类似方式制备。更具体地，半绝缘单晶碳化硅块材可以通过物理气相沉积法(PVD)或化学气相沉积法(CVD)等类似方法获得。举例来说，若改以化学气相沉积法制备块材，在相同或相似的参数下，其需要将工艺温度下降至1000℃。或者，若改以物理气相沉积法制备块材，在相同或相似的参数下，其沉积速率降为大约10μm/hr。换句话说，相较于PVT方法，PVD以及CVD等类似的方法在调整对应的参数后，也能够获得与第五实施例所述的相同或相似的半绝缘碳化硅块材。因此，本申请所保护的半绝缘单晶碳化硅块材不应以PVT法为限，在相同或相似的条件或工艺下所获得的半绝缘单晶碳化硅块材都应该属于本申请的范围。

请参考图14至17，其分别是本申请的第五实施例的半绝缘单晶碳化硅块材的各切片硅空缺浓度。如图所示，在块材中较靠近晶种的切片编号为1，最靠近长晶表面的切片编号为13，一共切割13片。以编号1、4、8以及13的切片为例，随着靠近晶种至靠近长晶表面，硅空缺浓度分别为7.83E+11、7.17E+11、1.08E+12及5.38E+12。其个别的最大强度、半高宽、PL/TO比率与硅空缺浓度如下表：

切片编号	最大强度(G)	半高宽(G)	PL peak/TO mode	硅空缺浓度(cm^-3)
					1	12242	5.4283	0.48	7.824E+11
4	11671	6.3965	0.44	7.17E+11
					8	16291	5.7617	0.66	1.08E+12
13	9255	5.0293	0.33	5.38E+12

根据前述实施例的半绝缘单晶碳化硅块材，包括单一多形体的单晶，该半绝缘单晶碳化硅块材内具有硅空缺，其中硅空缺浓度至少大于5E11cm^-3，小于5E13cm^-3。

在一实施例中，根据前述实施例的半绝缘单晶碳化硅块材，其厚度大于等于10um。

在一实施例中，根据前述实施例的半绝缘单晶碳化硅块材，其厚度小于等于3cm。

在一实施例中，根据前述实施例的半绝缘单晶碳化硅块材，其直径大于等于90毫米。

在一实施例中，根据前述实施例的半绝缘单晶碳化硅块材，其直径小于等于200毫米。

在一实施例中，根据前述实施例成长系统所形成的半绝缘单晶碳化硅块材，其电阻率大于1E7 ohm-cm。

在一实施例中，根据前述实施例成长系统所形成的半绝缘单晶碳化硅块材，其所包括的单一多形体的单晶选自碳化硅的3C，4H，6H和15R多形体，其中4H多形体是目前最优选的。

半绝缘单晶碳化硅块材除了可以作为第一实施例至第四实施例中所述的晶体以及芯片的原料以外，亦可以作为”荧光微米碳化硅”而应用于生医领域上。更具体地说，半绝缘单晶碳化硅具有发光的特性而能够当作追踪检测标靶。因此，在下文中将提供一种碳化硅粉末，其可以是由上述实施例中任意一种的块材、晶体或是晶圆通过自体撞击、水刀或钻石加工等进行成型或细化而得。通过将碳化硅块材、晶体或是晶圆粉末化，能够增加总表面积，以提高发光的效果。

请参考图18至21。其是本申请第六实施例的半绝缘单晶碳化硅粉末的加工示意图、余料的硅空缺浓度、余料的各切片硅空缺以及波长与发光强度关系示意图。一般而言，当块材在进行晶圆切割时，会留下一部分的余料8，这些余料8可以用来制作本实施例中的碳化硅粉末9A以及粉末9B。

为了确保粉末的质量稳定，可以在细化之前对余料8进行EPR分析，如图19所示，余料8中主要缺陷为硅空缺，其硅空缺浓度最高为7.07E12 cm^-3。除此之外，还可以将余料8切割并对不同位置的切片进行硅空缺浓度分析。以图1的成长系统为例，较靠近晶种的切片编号为1，较靠近长晶表面的切片编号为5，一共切割成5片，亦即图20横轴的编号。如图20所示，切片编号1至切片编号4的硅空缺浓度较为近似，而切片编号5的硅空缺浓度与前述四个切片不同。因此，实际上在制造粉末时，使用编号1至4的切片进行细化，以获得性质相近的粉末，若使用编号5的粉末进行细化，则可以得到硅空缺浓度更高的粉末，可应用于需要更高强度的光致发光讯号的粉末应用。

接着，本实施例对余料8分别通过钻石切割以及自体撞击以获得粉末9A以及粉末9B。粉末9A以及粉末9B的粒径可以是1微米至500微米之间，视实际使用状况而定，在本实施例中，其具体数值约为30微米左右。由于加工方式的不同，粉末9A与粉末9B会具有不相同的表面型态。更具体地，由于钻石切割的精细程度较高，因此粉末9A较粉末9B更为光滑，也就是说，用自体撞击而得到的粉末9B比较粗糙(光散射较大)。如图21所示，当对同样粒径大小的粉末9A以及粉末9B进行荧光测试时，粉末9A能够具有较好的发光强度。

本申请提供了一种半绝缘单晶碳化硅块材。这个块材可以通过PVD、CVD或是PVT工艺制备，且制备出的块材不仅具有良好的硅空缺浓度，亦具有较大的尺寸。因此，块材能够作为晶体、芯片以及粉末的原料，实现各种应用。更进一步地，由块材所加工而得的粉末同样地可以作为各种产品的原料。因此，本申请的碳化硅块材以及碳化硅粉末能够让因为制造不易而导致数量稀少的碳化硅材料更广泛地应用于电子、医疗以及通讯等领域中。

虽然图式中包含了以上描述的组件，但不排除在不违反发明的精神下，使用更多其他的附加组件，以达成更佳的技术效果。此外，虽然实施例中步骤采用指定的顺序来执行，但是在不违反发明精神的情况下，熟习此技艺人士可以在达到相同效果的前提下，修改这些步骤间的顺序，所以，本申请并不局限于仅使用如上所述的顺序。此外，熟习此技艺人士亦可以将若干步骤整合为一个步骤，或者是除了这些步骤外，循序或平行地执行更多步骤，本申请亦不因此而局限。

虽然本申请使用以上实施例进行说明，但需要注意的是，这些描述并非用以限缩本申请。相反地，此发明涵盖了熟习此技艺人士显而易见的修改与相似设置。所以，申请专利范围须以最宽广的方式解释来包含所有显而易见的修改与相似设置。

Claims (12)

1.一种半绝缘单晶碳化硅块材，其特征在于，包括单一多形体的单晶，所述半绝缘单晶碳化硅块材内具有硅空缺，其中，所述硅空缺浓度大于5E11cm^-3。

2.如权利要求1所述的半绝缘单晶碳化硅块材，其特征在于，所述硅空缺浓度小于5E13cm^-3。

3.如权利要求1所述的半绝缘单晶碳化硅块材，其特征在于，所述半绝缘单晶碳化硅块材的厚度大于等于10um。

4.如权利要求1所述的半绝缘单晶碳化硅块材，其特征在于，所述半绝缘单晶碳化硅块材的厚度小于等于5cm。

5.如权利要求1所述的半绝缘单晶碳化硅块材，其特征在于，所述半绝缘单晶碳化硅块材的直径大于等于90mm。

6.如权利要求1所述的半绝缘单晶碳化硅块材，其特征在于，所述半绝缘单晶碳化硅块材的直径小于等于200mm。

7.如权利要求1所述的半绝缘单晶碳化硅块材，其特征在于，所述半绝缘单晶碳化硅块材的电阻率大于1E7 ohm-cm。

8.如权利要求1所述的半绝缘单晶碳化硅块材，其特征在于，所述单一多形体选自碳化硅的3C、4H、6H和15R多形体。

9.一种半绝缘单晶碳化硅粉末，由权利要求1至8中任一项所述的半绝缘单晶碳化硅块材加工而成，其特征在于，所述硅空缺浓度大于5E11cm^-3。

10.如权利要求9所述的半绝缘单晶碳化硅粉末，其特征在于，所述硅空缺浓度小于5E13cm^-3。

11.如权利要求9所述的半绝缘单晶碳化硅粉末，其特征在于，所述半绝缘单晶碳化硅粉末的粒径大于等于1m。

12.如权利要求9所述的半绝缘单晶碳化硅粉末，其特征在于，所述半绝缘单晶碳化硅粉末的粒径小于等于500m。

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