CN1695253A - 不具有钒控制的半绝缘碳化硅 - Google Patents

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Abstract

公开了一种碳化硅的半绝缘体单晶，它具有至少5000Ω－cm的室温电阻率和建立离价带或者导带至少700meV的能态的俘获元素浓度，该浓度低于影响晶体电阻率的量，优选低于可检测的水平。还公开了形成晶体的方法以及一些得到的器件，这些器件采用利用本发明衬底形成的器件的微波频率能力。

Description

不具有钒控制的半绝缘碳化硅
技术领域
本申请是2001年1月10日申请的序列号为No.09/757,950的部分延续，而序列号为No.09/757,950的申请是1999年5月18日申请的序列号为09/313,802、现在已经授权的美国专利No.6,218,680的延续。本发明涉及用于特定目的的高质量碳化硅晶体的生长，具体地说，涉及在微波器件中使用的高质量半绝缘碳化硅衬底的制造。本发明在“Department of the Air Force Contract Number F33615-95-C-5426”下诞生。政府可以对本发明享有某些权利。
背景技术
术语“微波”指的是大约0.1千兆赫(GHz)至1,000GHz频率范围内的电磁能量，相应的波长大约为300厘米至0.3毫米。尽管外行人也许认为“微波”与烹调设备最广泛相关，但熟悉电子设备的人们都认为微波频率可用于各种电子目的和相应的电子设备中，包括各种通讯设备和相关的电路部件以及使它们工作的电路。与许多其它半导体电子器件和得到的电路一样，器件(或电路)显示某些希望或者需要的性能特征的能力在很大程度上、并且经常完全取决于制造材料。用于微波设备的一种适当的备用材料是碳化硅，它为微波应用提供了一个首要的优点，即具有非常高的击穿电场。碳化硅的这种特性能够使器件例如金属半导体场效应晶体管(MESFETs)工作在漏电压比形成在砷化镓(GaAs)中的场效应晶体管大九倍的漏电压下。
此外，碳化硅具有导热率为4.9瓦每开氏温度每厘米(W/K-cm)的显著优点，该导热率是硅的3.3倍，是砷化镓或者蓝宝石的十倍。这些性能给碳化硅提供了在测量的栅周边的高功率密度(以瓦每毫米(W/mm)表示)和按照芯片面积(die area)极高的功率处理能力(W/mm)。由于芯片尺寸受波长限制，因此上述性能对于高功率、高频应用来说尤其有利。因此，由于碳化硅在任何给定频率的优异的热和电性能，因此碳化硅MESFETs的功率至少是由砷化镓制成的器件的五倍。
如熟悉微波器件的人员所认识的，由于导电衬底在微波频率容易产生严重问题，因此为了耦合(coupling)的目的，经常需要高电阻率(“半绝缘”)衬底。如这里所使用的，对于大部分目的来说，术语“高电阻率”和“半绝缘”可以认为意思相同。总之，两个术语都描述了具有大于大约1500欧姆-厘米(Ω-cm)电阻率的半导体材料。
对于广泛用于通讯设备例如寻呼机和移动电话的单块微波集成电路(MMICs)来说，这种微波器件尤其重要，所述通讯设备通常需要高电阻率衬底。因此，对于微波器件衬底来说需要下来特性：适于高度复杂、高性能电路元件的高结晶质量、好的导热率、器件之间以及与衬底的好的电绝缘、低的电阻损耗特性、低的串话特性和大的晶片直径。
假定碳化硅具有宽带隙(在300K，4H碳化硅为3.2eV)，这种半绝缘特性在理论上应是可能的。作为一个结果，适当的高电阻率碳化硅衬底应允许在相同的集成电路(“芯片”)上放置功率和无源器件，由此减小该器件的尺寸，同时增加其效率和性能。碳化硅还提供了其它的良好的质量，包括在高温工作而没有物理、化学损害或者电击穿的能力。
然而，熟悉碳化硅的人员清楚，对于这些目的来说，通过大多数技术生长的碳化硅通常导电程度太高。尤其是，碳化硅中标称的或者偶然的氮浓度在升华生长的晶体中足够高(1-2×1017cm-3)，以至于提供足够的电导率，阻止了这种碳化硅用于微波器件。
为了实用，碳化硅器件应具有至少1500欧姆-厘米(Ω-cm)的衬底电阻率，以便实现RF无源性能。此外，需要5000Ω-cm或者更好(better)的电阻率使器件传输线损耗达到可接受的0.1dB/cm或者更小的水平。从器件绝缘和使后开启效果(backgating effects)最小的方面来说，半绝缘碳化硅的电阻率应接近50000Ω-cm，或者更高。目前的工作趋于主张碳化硅衬底的半绝缘性能是深在碳化硅带隙内的能级的结果；即，比由p型和n型掺杂剂建立的能级更远离价带和导带；例如，美国专利No.5,611,955。根据‘955专利，碳化硅中价带和导带之间的深能级能够通过控制所选择的元素或者这些元素的组合引入碳化硅中而产生，所述元素例如为过渡金属或者像氢、氯或氟等钝化元素，以便在碳化硅中形成深能级中心；例如第3栏第37-53行。还可以参见：Mitchel，The 1.1eV Deep Level in 4H-SiC.SIMC-X，Berkley CA，June 1998；Hobgood，Semi-Insulating GH-SiC Grown byPhysical Vapor Transport，Appl.Phys.Lett.Vol.66，No.11(1995)；WO95/04171；Sriram，RF Performance of SiC MESFETson High Resistivity Substrates，IEEE Electron Device Letters，Vol.15，No.11(1994)；Evwaraye，Examination of Electrical and OpticalProperties of Vanadium in Bulk n-type Silicon Carbide，J.Appl.Phys.76(10)(1994)；Schneider，Infrared Spectra and Electron SpinResonance of Vanadium Deep Level Impurities in Silicon Carbide，Appl.Phys.Lett.56(12)(1990)；和Allen，Frequency and PowerPerformance of Microwave SiC FET’s，Proceedings of InternationalConference on Silicon Carbide and Related Materials 1995，Instituteof Physics。
按照常规思路，这些深能级元素杂质(还已知为深能级俘获元素)可以通过在高纯碳化硅高温升华或者化学汽相淀积(CVD)生长过程中引入。具体地说，认为钒是用于此目的的理想过渡金属。根据‘955专利和类似的技术，钒补偿碳化硅材料并且产生碳化硅的高电阻率(即半绝缘)特性。
但是，作为补偿元素引入钒生成了半绝缘碳化硅，也产生了某些缺点。首先，包括钒的任何掺杂剂的大量存在都会消极地影响得到材料的结晶质量。因此，可以明显减少或者消除钒或者其它元素，增加得到材料的晶体质量及其相应的电子质量。具体地说，应理解为钒的补偿量能够引起生长缺陷，例如碳化硅中的内含物和微管。
作为第二个缺陷，钒补偿量的引入会降低产量，提高半绝缘碳化硅衬底的制造费用。第三，碳化硅或者任何其它半导体元素的主动补偿都有些复杂和不可预知，因此增加了制造复杂度，如果能够避免补偿，就可以避免这种复杂度。
在1999年5月18日申请的专利申请序列号No.09/313,802及其2001年1月10日申请的延续序列号No.09/757,950中，公开了一种改进的半绝缘碳化硅，其中在补偿的碳化硅单晶中钒浓度保持在可检测(例如SIMS检测)的水平以下。在相关掺杂的描述中，‘802申请以及许多现有技术有时候都称具体的掺杂剂为“深”或者“浅”。尽管术语“深”和“浅”在描述与一定掺杂剂相关的能态和能级时具有例证性的值，但最好将这些值理解为相对值而不是限定的值。
例如，在某些情况下，将离带边缘300meV或者更高的能级称为“深”。但是，在该范围产生能级的某些元素(例如硼)也可以起“浅”的作用；即，它们可以产生导电能级而不是升高电阻率的能级。此外，在使用硼(B)的情况下，各个元素能够在带隙内产生多于一个能级的能级。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种半绝缘碳化硅衬底，该衬底不以特定的掺杂剂为普通的“深”或者“浅”来表征，并且提供一种半绝缘碳化硅衬底，该衬底提供了高频工作所需的能力和优点，而且同时避免现有材料和技术的缺点。
本发明利用一种碳化硅的半绝缘体单晶满足上述目的，该碳化硅具有至少5000Ω-cm的室温电阻率和低于1E16的过渡元素浓度。
在另一个方案中，本发明是一种碳化硅的半绝缘体单晶，该碳化硅具有至少5000Ω-cm的室温电阻率和建立离价带或者导带至少700meV的能态的俘获元素浓度，该浓度低于影响晶体电特性的量。
在再一个方案中，本发明包括结合根据本发明的半绝缘碳化硅的器件，包括MESFET、某些MOSFET和HEMT(高电子迁移率晶体管)。
基于下面结合附图的详细描述，本发明的前述和其它目的和优点以及实施方式将更清楚。
附图说明
图1至3是在根据本发明制备的晶片上进行霍耳效应测量的图；
图4是对于根据本发明的半绝缘碳化硅来说载流子浓度的自然对数与温度(开氏温度)倒数之间的关系图；
图5是对于根据本发明的半绝缘碳化硅来说电阻率的自然对数与温度倒数的关系图；
图6至8与图1至3所示的测量相同，但从衬底晶片的不同部分得到；
图9是对于图6至8所示的样品来说载流子浓度的自然对数与温度倒数之间的另一个关系图；
图10是电阻率的自然对数与温度倒数之间的另一个关系图，也对应于图6至8的样品测量；
图11至13是对于在半绝缘碳化材料不同部分上的另外的测量来说，与图1至3和6至8同样的再一组图；
图14是对于图11至13所示的样品来说电阻率的自然对数与温度倒数之间的另一个关系图；
图15、16和17是根据本发明的各种材料样品和现有技术的材料的次级离子质谱(SIMS)图。
具体实施方式
在第一实施例中，本发明是具有过渡元素的碳化硅的半绝缘体单晶，过渡元素的浓度低于一定值使得这些元素控制晶体的电阻率，优选浓度低于10-16每立方厘米(cm3)；即1E16。
在另一个实施例中，本发明是碳化硅的半绝缘体单晶，在室温该碳化硅具有至少5000欧姆-厘米的电阻率，俘获元素建立了离价带或导带至少700meV的能态，俘获元素的浓度低于影响该晶体的电特性的量。
这里使用的术语“过渡元素”指的是元素周期表中作为掺杂剂引入到碳化硅中的那些元素，这些元素在碳化硅的价带和导带之间的能级形成了一些能态，这些能级比更常规的p型或者n型掺杂剂更远离导带和价带。如在技术领域和背景技术提到的，钒是具有这种特性的常用过渡元素。
如下面所使用的，限定为“可检测水平以下”的浓度指的是元素的存在量不能够通过现代的复杂的分析技术检测到。具体地说，由于用于检测少量元素的更常用的技术之一是次级离子质谱法(“SIMS”)，因此这里所指的可检测极限是如钒和其它过渡金属元素的存在量小于1×1016cm-3(1E16)，或者在其它情况下小于大约1E14。这两个量代表利用SIMS技术对大部分微量元素(尤其是钒)的典型检测极限；例如，SIMS Theory-Sensitivity and DetectionLimits，Charles Evans & Associates(1995)，www.cea.com。
如上所述，钒(V)是用于制造半绝缘碳化硅的更常用元素之一。因此，本发明的特征在于钒不存在，如果存在，其存在量低于那些基本上会影响晶体电阻率的量，优选低于1E16。
尽管可以是其它的多型(polytypes)(即晶体结构)，但根据本发明实施例的碳化硅单晶优选具有选自由3C、4H、6H和15R多型构成的组的多型。
此外，为了避免与氮的存在相关的问题，必须尝试补偿氮，根据本发明实施例的碳化硅单晶优选具有浓度低于大约1×1017cm-3(1E17)的氮原子。更优选，根据本发明的碳化硅半绝缘单晶具有5E16或更低的氮浓度。钒的浓度小于1E16原子每立方厘米，更优选小于1E14原子每立方厘米。此外，得到的体碳化硅单晶在室温优选具有至少10000Ω-cm的电阻率，更优选具有至少50000Ω-cm的室温电阻率。
为了提供用于高频MESFET的半绝缘碳化硅衬底，优选4H多型，因为它具有较高的体电子迁移率。对于其它设备，可以优选其它多型。因此，本发明的更优选实施例之一是4H碳化硅的半绝缘体单晶，它具有至少10000Ω-cm的室温电阻率，钒原子的浓度低于1E14。
优选，碳化硅的半绝缘体单晶的制造方法包括：将碳化硅源粉末加热到升华，在加热的同时，使碳化硅籽晶保持在低于源粉末温度的温度下，在该温度，来自源粉末的升华物质将凝结在籽晶上。此后，该方法包括继续加热碳化硅源粉末直到在籽晶上出现需要量的单晶体生长。该方法的特征在于：(1)源粉末中的过渡元素量(如上所述)低于相关量，(2)源粉末包含5E16或者更少的氮，和(3)在升华生长过程中，源粉末和籽晶保持在各自的温度下，它们的温度高得足以显著减少氮量(否则氮将被引入到籽晶上的体生长中)并且将籽晶上体生长中的点缺陷(有时称为本征点缺陷)的数量增加到使得到的碳化硅体单晶呈现半绝缘的量。优选和从概念上讲，通过使氮或者其它掺杂剂的量尽可能地低，能够将使晶体半绝缘所需要的点缺陷数降低到最小。目前，优选的点缺陷数在1E15-5E17的范围内。
为了根据本发明生产半绝缘碳化硅，所使用的源粉末必须不含有钒，或者如果存在钒，存在量必须低于可检测的水平。如上所述，可检测水平一般表征为可以利用SIMS测量的水平。从不同角度讲，源粉末中的钒含量优选少于1E16原子每立方厘米，更优选少于1E14原子每立方厘米。
在优选实施例中，通过最优先选用石墨作为SiC的原料之一并且通过利用反应器自身中的提纯的石墨部分使氮含量最小。总的来说，可以通过在卤素气体(例如Cl2)存在的情况下加热并且如果需要、通过进一步在大约2500℃的惰性气氛(例如Ar)中加热(“焙烧”)来提纯石墨(用于源粉末或者反应器部分)，使其不含有可能的掺杂元素例如硼或者铝。适当的提纯技术在本领域是已知的(例如美国专利No.5,336,520；5,505,929；和5,705，139)，并且可以不进行过多的试验实施提纯。
根据本发明还发现，不仅通过利用现有技术中的高度提纯技术(当然可以作为本发明的技术部分)、而且通过在相对较高的温度下进行升华、同时将籽晶和籽晶上的任何体生长的温度保持在源粉末的温度以下可以减少得到的体单晶中的氮含量。在美国专利No.RE34,861中提出了用于升华生长的优选技术(不同于这里所描述的修改)，这里全文引入作为参考(“‘861专利”)。
在如‘861专利中提到的、一般由石墨构成的适当坩锅中进行升华。该坩锅包括晶种保持器，二者都位于升华炉内部。选择SiC源粉末并且当需要时提纯，以便具有小于大约1E17的氮浓度，优选小于大约5E16。此外，源粉末中钒或者其它重金属或者过渡元素的浓度低于会影响所得到晶体的电特性的量。这些量包括那些低于SIMS-可检测水平的量，意即利用目前可以得到的SIMS，它们的量至少在1E16原子每立方厘米以下，优选在1E14原子每立方厘米以下。源粉末还优选满足‘861专利中提出的其它优点。
当少量的硼作为受主引入时，最好按包括需要量的源材料(粉末)的形式添加。
实际上，可以在大约2360℃-大约2500℃的源温度范围内并且籽晶温度保持在按比例较低的温度下进行碳化硅的升华。对于这里描述的材料来说，源保持在大约2360℃和2380℃之间，晶种温度为较低的300-350℃。如对该工序和测量熟悉的技术人员所了解的，显示的温度可以取决于在哪和如何测量该系统，并且系统与系统之间可以稍微有所区别。
由于钒已经是现有技术中用来制造补偿型半绝缘碳化硅而选择的元素，因此本发明可以表述为体SiC单晶及其制造方法，其中钒低于上述可检测的和数值所表示的水平。但是，对碳化硅的生长和碳化硅作为半导体的特征熟悉的人员应理解，本发明同样考虑了与钒一样会引起相同的功能特性(和可能的缺点)的任何其它元素的不存在。
通过避免使用这些元素，本发明同样不再需要用其它元素补偿这些元素，相应地减小了将这种补偿引入晶体生长工艺中的复杂程度。
图1-17示出了根据本发明对半绝缘衬底进行的各种测量，同时与更常规的补偿和非补偿碳化硅材料进行一些对比。
图1-3表示根据本发明在Cree Research Inc.、Durham、North Carolina生长的衬底晶片上取得的相应组的测量结果。如这里的“试验”部分提到的，由Air Force Research Laboratory inDayton，Ohio测试这些材料的特性。图1示出了对于根据本发明的半绝缘衬底晶片来说载流子浓度与温度倒数之间的关系(浓度为对数标度)。得到的直线的斜率给出了大约1.1电子伏特(eV)的激活能量。
图2示出了电阻率随着温度的降低而增加，这种方式与根据本发明的半绝缘材料的其它预期的性能一致。
图3示出了迁移率与以开氏温度表示的温度之间的关系。图4示出了载流子浓度的自然对数(In)与温度倒数(开氏度)之间的关系。如那些对测量熟悉的人员所了解的，载流子浓度的自然对数与温度倒数之间关系的斜率给出了激活能量。如图4中的插图所示，对于根据本发明的该样品来说，激活能量大约为1.1eV，即与图1的结果一致。通过比较，同样如对半绝缘碳化硅熟悉的人员所了解的，当用钒作为深能级俘获元素时，在相同的环境下，半绝缘碳化硅的激活能量大约为1.6eV。
在0.045厘米厚的样品上，在大约569K至1012K的温度范围内，在4千高斯磁场下测量数据。
图5是电阻率的自然对数与温度倒数(开氏温度)之间的关系图。该数据和该图同样可以用来确定半绝缘碳化硅材料的激活能量。从该图确定的1.05667eV的值有助于确认前面测量的1.1eV的激活能量。从不同角度讲，图4和5中测量的激活能量之间的差在期望的试验极限内，并且该数据彼此确认。
图6至10示出了与图1和5相同的测量类型及图，但从不同的样品取得；具体地说是与图1至5相同的测量晶片的不同区域。据此可以看出，图6至8与图1至3示出的结果一致。更具体地说，图9是载流子浓度在自然对数与温度倒数之间关系的另一个图，示出了计算的1.00227eV的激活能量。而且，它也在早期测量1.1eV的试验极限内。
以相同的方式，图10示出了电阻率的自然对数与温度倒数之间的关系，并且同样提供了1.01159的激活能量，同样在1.1eV的试验极限内。图11至13示出了从晶片的另一部分取得的结果，但与前面看到的测量结果相比，它看起来不是很令人满意。具体地说，图11的图没有像希望的那样形成直线，与前面的结果相比，该数据不是很令人满意。同样，图14示出了电阻率的自然对数与温度倒数之间的关系，表明不考虑试验的异常，计算的激活能量仅为0.63299，偏离1.1eV很多。
图15、16和17表明各个比较例的次级离子质谱(SIMS)，旨在示出半绝缘碳化硅衬底中的元素杂质和其它材料。图15是根据本发明的半绝缘碳化硅材料的SIMS质谱，并且确认了样品中不存在钒或者任何其它过渡金属。这样确认了本发明中存在的激活能量和中间间隙(mid-gap)能态不是由钒或者其它过渡金属的存在而产生的。
图16是为了比较示出的，该图既不是半绝缘的、也不是根据本发明制备的碳化硅的N型晶片的SIMS质谱，而是表示导电的碳化硅样品。由于对于N型衬底来说没有理由包括钒，因此质谱中没有钒。
图17提供了用钒补偿的半绝缘碳化硅的现有形式的比较。质谱中明显存在大约51原子质量单位的钒峰值。该钒峰值在图15和16中明显不存在。
当然，对这些材料熟悉的技术人员应理解，尽管惯用语“可检测的量以下”是本发明的完全恰当的描述，也应将这些量理解为在影响电特性、尤其是碳化硅晶体电阻率的量以下。
因此，在另一个技术方案中，本发明包括具有施主掺杂剂、受主掺杂剂和本征点缺陷的边绝缘碳化硅单晶。在本发明的该技术方案中，碳化硅晶体中施主掺杂剂(Nd)的数量比受主掺杂剂(Na)的数量大，碳化硅中作为受主的本征点缺陷(Ndl)的数值比这些施主和受主掺杂剂的数值之间的数量差大。进一步地，过渡元素和重金属的浓度比影响碳化硅单晶电性能的浓度小，并且优选小于1E16。得到的碳化硅单晶具有至少5000Ω-cm的室温电阻率，优选至少为10,000Ω-cm，更优选50,000Ω-cm。
本发明的该方案还应用于下列补充条件，其中受主掺杂剂原子的数量比施主掺杂剂原子的数量大。在这种情况下，作为施主的本征点缺陷的数量比施主杂质和受主杂质数量之间的数量差大。
从不同角度讲，浅n型和p型掺杂剂彼此补偿，一种或者另一种掺杂剂在某种程度上占主导地位。晶体中被电激活的本征点缺陷的数量比晶体中控制另一种掺杂剂原子的n型或者p型掺杂剂原子的净量大。表示为公式：
Ndl＞(Nd-Na)
其中施主控制受主，或者
Ndl＞(Na-Nd)
其中受主控制施主。在第一种情况下，该晶体是基于掺杂剂原子的补偿n型。然而，这些净施主再次被受主型点缺陷补偿，以便产生半绝缘晶体。在第二种情况下，该点缺陷作为施主型，并且补偿晶体中净过量的受主。
如这里所使用的，术语“掺杂剂”具有广泛的意义；即，使用“掺杂剂”来描述品格中存在的并且提供额外电子(施主)或者额外空穴(受主)的、除硅(Si)或者碳(C)之外的其它原子。在本发明中，掺杂剂可以被动地(passively)或者主动地(proactively)存在；即，术语“掺杂剂”既不表示“掺杂”步骤，也不表示没有“掺杂”步骤。
在优选实施例中，受主是硼。在本实施例中，硼过补偿氮，点缺陷作为施主过补偿硼，以便生成半绝缘碳化硅晶体。作为受主，硼的性能与其中认为硼是深(deep)俘获元素(例如，共同受让的美国专利No.5270554第8栏第49-51行)的较早的概念之间有显著的区别。实际上，在SiC中，硼可以在700meV处产生俘获能级，但(至今)没有再现。因此，在本发明中，已经发现硼是用于所描述的这类半绝缘碳化硅的适当的受主掺杂剂。
在这种优选实施例中，在减小活性氮浓度使得相当少量的硼、优选大约1E15的硼使晶体p型的条件下生长碳化硅。通过控制生长条件，可以使点缺陷浓度大约为5E15，这样过补偿硼并且生成半绝缘晶体。通过减小氮浓度和相应的硼补偿量，本发明避免了较早提及的过渡金属控制和较重程度的掺杂和补偿等缺陷。由于SiC的晶体生长是相当复杂的工艺，因此根据局部或者具体环境例如使用适当范围内的特定温度和所使用设备的特性，实际的参数可以不同。然而，基于这里所公开的，本领域普通技术人员可以顺利地实施本发明，不需要进行过多的试验。
期望可以通过用中子、高能电子或者γ射线照射碳化硅以便从某种程度上控制点缺陷的数量，从而建立希望数量的点缺陷，由此实现与上面提到的公式的一致。
尽管点缺陷的确切数量难以测量，但如电子顺磁共振(EPR)、深能级瞬时光谱(DLTS)和正电子湮灭光谱分析等技术提供了对存在数量的最可能的表示。如这里进一步提到的，霍耳效应测量也确认了想要的晶体特性。
在另外的方案中，可以将本发明结合到有源器件中，尤其是利用半绝缘碳化硅衬底的有源微波器件中。如上面所描述的和对有源半导体微波器件熟悉的人员所认识的，与载流子限于微波器件的特定沟道和其它功能部分的理想情况相反，可以通过载流子与衬底的相互作用显著阻碍可以使微波器件工作的频率。
根据本发明的碳化硅半绝缘材料的特征在于它在适当的器件中具有优异的特性。这些包括但不限于：MESFET、某些MOSFETS和其它器件，例如美国专利和未审申请5,270,554；5,686,737；5,719,409；5,831,288；1997年7月10日申请的序列号08/891,221；1998年5月21日申请的序列号09/082,554，二者的名称为“Latch-up Free Power UMOS Bipolar Transistor”；1997年2月7日申请的序列号08/797,536，名称为“Structure for Increasingthe Maximum Voltage of Silicon Carbide Power Transistors”；1997年2月7日申请的序列号08/795,135，名称为“Structure toReduce the On-resistance of Power Transistors”；和1998年6月23日申请的国际申请No.PCT/US98/13003(指定美国)，名称为“Power Devices in Wide Bandgap Semiconductors”；这里全部引入作为参考。
试验
利用高温霍耳效应和SIMS，在Dayton，Ohio的Air ForceResearch Laboratory(Wright-Patterson Air Force Base)检测两个半绝缘SiC晶片。从一个晶片没有得到可以令人理解的结果(可能是由于不尽令人满意的欧姆接触)，但来自第二晶片的两个霍耳样品都给出了相同的结果，这些结果给出了合理的令人信赖的结果。
在室温两个晶片都绝缘。在升高的温度下热激励可测量的晶片，载流子浓度是可测量的，因为包括高温而导致的低迁移率，因此这在半绝缘材料中不是总能实现的。在1000K，载流子浓度大约为1015cm-3，电阻率大约为103Ω-cm。在相同的温度，该载流子浓度大约比在常规半绝缘材料或者钒掺杂材料中看到的载流子浓度低一至两个数量级。但是，由于不能绘出n与1/T之间关系的适当曲线，因此不能得到有源层的总浓度。激活能量大约为1.1eV。
利用高分辨率系统在样品上进行SIMS，除了接近检测极限的一些铜和一些氢之外没有发现其它的物质，氢是从质量47峰(mass 47peak)的高度猜测的。因此质量47峰归属于SiOH。因此图18-20分别包括本发明的质量扫描(mass scan)以及两个比较样品的扫描。在图19和20中钛(Ti)显然大约为1×1016cm-3，但在本发明的样品中不是这个数值(图18)。钒还出现在标准的半绝缘样片(图20)中，SiOH线代表氢。
从这些结果看出，因为与其它缺陷一起构成1.1eV能级的任何剩余钒杂质以比浅杂质的总和更高的浓度存在，因此1.1eV能级补偿浅杂质，所以认为第一晶片是高纯材料，并且是绝缘的。费米能级固定在1.1eV能级，由此使材料半绝缘。如果存在氢，那将意味着发生氢补偿，但这在选择性地补偿或者中和较浅杂质和不是较深能级时是不希望的。
在附图和说明书中已经公开了本发明的典型实施例，尽管采用了具体的术语，但它们仅在普通的和说明性的意义上使用而不是为了限制，在下面的权利要求中阐明了本发明的范围。

Claims (15)

1.一种半绝缘碳化硅单晶，包括：
在所述碳化硅单晶中的施主掺杂剂、受主掺杂剂和本征点缺陷；
其中第一导电类型的掺杂剂数量比第二导电类型的掺杂剂数量大；和
所述碳化硅晶体中起补偿占优势的第一掺杂剂作用的本征点缺陷的数量比某一个数值差大，通过该数值差，所述第一类型掺杂剂控制所述第二类型掺杂剂；
过渡元素的浓度小于1E16；
所述碳化硅单晶至少具有5000欧姆-cm的室温电阻率。
2.一种碳化硅的半绝缘体单晶，具有至少5000Ω-cm的室温电阻率和建立离价带或者导带至少700meV的能态的俘获元素浓度，该浓度低于影响晶体电特性的量。
3.根据权利要求1或2的碳化硅单晶，它具有低于1×1017cm-3的氮原子浓度。
4.根据权利要求1或2的碳化硅单晶，其中钒浓度小于1×1016cm-3。
5.根据权利要求1的半绝缘碳化硅晶体，其中所述第一类型掺杂剂是施主，所述第二类型掺杂剂是受主，所述本征点缺陷起受主作用。
6.根据权利要求5的半绝缘碳化硅晶体，其中所述受主包括硼。
7.根据权利要求1的半绝缘碳化硅晶体，其中所述第一类型掺杂剂是受主，所述第二类型掺杂剂是施主，所述本征点缺陷起施主作用。
8.根据权利要求1或2的碳化硅单晶，其中碳化硅的多型选自由3C、4H、6H和15R多型构成的组。
9.根据权利要求1或2的碳化硅单晶，其中氮浓度为5×1016cm-3或者更低。
10.根据权利要求1或2的碳化硅单晶，其中钒浓度低于可以通过次级离子质谱法(SIMS)检测的值。
11.根据权利要求1或2的碳化硅单晶，其中钒浓度小于1×1014cm-3。
12.根据权利要求1或2的碳化硅单晶，它具有至少10,000Ω-cm的室温电阻率。
13.根据权利要求1或2的碳化硅单晶，它具有至少50,000Ω-cm的室温电阻率。
14.一种晶体管，它具有衬底，该衬底包括根据权利要求1或2的体单晶。
15.根据权利要求14的晶体管，它选自由金属-半导体场效应晶体管、金属-绝缘体场效应晶体管和高电子迁移率晶体管构成的组。
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