TWI785467B - 高純度半絕緣單晶碳化矽晶片與碳化矽晶體 - Google Patents

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Abstract

根據本申請實施例公開的一種高純度半絕緣單晶碳化矽晶片，包括單一多形體的單晶，該高純度半絕緣單晶碳化矽晶片內具有矽空缺，其中矽空缺濃度大於5E11cm^-3。

Description

高純度半絕緣單晶碳化矽晶片與碳化矽晶體
本申請關於一種半絕緣單晶碳化矽晶體，特別是一種具備矽空缺的高純度半絕緣單晶碳化矽晶體。
半導體材料歷經三個發展階段，第一代是矽(Si)、鍺(Ge)等基礎功能材料；第二代開始進入由二種以上元素組成的化合物半導體材料，以砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)等為代表；第三代則是氮化鎵 (GaN)、碳化矽(SiC)等化合物半導體材料。第三代半導體材料屬於寬能帶隙材料，具有高頻、耐高電壓、耐高溫等優勢，且導電性、散熱性佳，可降低能量耗損，元件體積相對較小，適合功率半導體應用。但是碳化矽的生產條件的控制難度大，導致碳化矽晶圓量產不易，直接影響了終端晶片與應用的發展。
物理氣相傳輸法(physical vapor transport, PVT)是目前商業量產碳化矽晶體的主流方法。一般而言，利用物理氣相傳輸法生長碳化矽晶體過程為先準備一晶種，將晶種置於坩堝中，該坩堝包括一成長室、一固持器及一料源容器。固持器位於成長室上方，用於固定晶種，並設置於提供溫度梯度之熱場裝置的相對冷端。料源容器位於成長室下方，用以容納材料源，將碳化物原料盛裝於料源容器內，將原料由固體昇華為氣體分子，將昇華之氣體分子傳送並沉積晶種晶片上，使晶體生長。
為了製造高電阻率的碳化矽晶圓，先前技術主要是使用高純度的原料以及深能級摻雜劑如釩摻雜來製作，在長晶過程中提供反應氣體與淺能級導電元素結合並輔以外加製程，退火製程或中子轟擊等使晶圓具備高阻率特性。但是當生長晶體尺寸增加後，先前技術的方法並不足以提供有效的大尺寸晶體均勻電阻率及良率，且會增加製程成本。此外，受限於長晶設備的因素，尺寸越大（例如大於4英吋）的晶體越難製作，良率也不易提升。
鑒於上述習知技術之缺點，本申請提供一種大尺寸、高電阻率、低缺陷之碳化矽晶片，特別是一種具備矽空缺的高純度半絕緣單晶碳化矽晶片。
根據本申請實施例公開的一種高純度半絕緣單晶碳化矽晶片，包括單一多形體的單晶，該高純度半絕緣單晶碳化矽晶片內具有矽空缺，其中矽空缺濃度至少大於5E11cm^-3。
根據本申請公開的大尺寸的高純度半絕緣單晶碳化矽晶體或矽晶片，其高電阻率特性由晶體本徵缺陷(亦即矽空缺)濃度主導，於晶體生長過程中即可完成，晶圓不須額外進行退火製程或中子轟擊製程。而在現有技術中，矽空缺濃度約為2E11cm^-3至3E11cm^-3。本申請公開的碳化矽晶體或碳化矽晶片的矽空缺濃度至少大於5E11cm^-3。
本申請的其他優點將搭配以下的說明和圖式進行更詳細的解說。
下面將結合本申請實施例中的附圖，對本申請實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本申請一部分實施例，而不是全部的實施例。本領域普通技術人員基於本申請中的實施例所有其他實施例，都屬於本申請保護的範圍。
必須了解的是，使用於本說明書中的“包含”、“包括”等詞，用以表示存在特定的技術特徵、數值、方法步驟、作業處理、元件以及/或組件，但並不排除可加上更多的技術特徵、數值、方法步驟、作業處理、元件、組件，或以上的任意組合。
本申請公開一種大尺寸、高電阻率、低缺陷之高純度半絕緣單晶碳化矽晶體，藉由物理氣相傳輸法(physical vapor transport，PVT)成長高純度單晶系統中，利用控制高純度長晶原料之Si/C比例及粒徑分佈，在晶體生長過程中控制長晶溫度及時間，使系統中成為富碳(C-rich)環境。在淺能級導電元素稀缺的狀態下，可以於晶體內生成本徵缺陷矽空缺並控制矽空缺濃度。以本徵缺陷做為其主導提升電阻率之機制，以達到半絕緣晶圓之電性範圍。此外，因使用高純度原料，於長晶過程中排除了雜質導入晶體之機率，因此本申請之本申請公開一種高純度半絕緣單晶碳化矽晶體的微管缺陷低於3cm^-2。
此處所稱的大尺寸是指直徑至少4英吋，或者4英吋至6英吋的高純度半絕緣碳化矽晶片（晶圓）。而高純度是指長晶原料之純度＞99.99%。而高電阻率是指電阻率大於1E7 ohm-cm或者在室溫下至少1E7 ohm-cm。此外，說明書實施例中所指的晶體是指由碳化矽成長系統製作的碳化矽晶體，而對碳化矽晶體切割後的成品一般稱作晶片或者晶圓（Wafer）。
本申請的高純度半絕緣單晶碳化矽晶體或矽晶片的高電阻率特性由晶體或晶片內的本徵缺陷(矽空缺)濃度主導，矽空缺在晶體生長過程中即可完成，不須額外進行退火製程或中子轟擊製程，因此簡化了製程。
參考圖1，為本申請用於成長高純度半絕緣單晶碳化矽晶體的成長系統的示意圖。如圖所示，成長系統包括有坩堝2、保溫材3與加熱器7。坩堝2用於使晶種1藉由材料源6以長晶。保溫材3設置於坩堝2外部，圖式中繪示的保溫材3是包覆於坩堝2的外部，但實際上也不一定要包覆於坩堝2外部，只要可以達到溫度保持的效果即可，因此圖示中僅為示意。加熱器7用以提供熱源，圖示中繪示的加熱器7是複數個，也可以視系統配置，設置為一個，圖示中的數量僅為示意說明，並非限制加熱器7實際的設置數量。加熱器7可以使用高週波加熱器或者電阻式加熱器，更具體的實施例中，加熱器7可使用加熱線圈或加熱電阻絲(網)。
坩堝2的內部上方配置有固持器4，固持器4用於固定晶種1。坩堝2的內部下方可配置材料源6，晶種1與材料源6的空間可以做為碳化矽晶體的成長區5。放置晶種1的區域可以定義為晶種區，放置材料源6的區域可以定義為料源區。因此一個空的坩堝2內部是具有晶種區、料源區以及成長區。在一非限定的實施例中，坩堝2可為為石墨坩堝，保溫材3可為石墨毯、多孔性絕熱碳材。
在實施例中，晶種可使用碳化矽，本申請所使用的晶種可以是一厚度350μm以上，直徑4英吋到6英吋以上單晶晶圓片，用以成長相對應尺寸以上之單晶晶體。單晶晶圓片可以是碳化矽。而坩鍋內容納材料源的料源區可使用碳化矽，料源形態可以是粉狀、粒狀、或塊狀，純度為＞99.99%，其結晶相可以為α相或β相，矽碳比例(Si/C ratio)可以為0.95至1.05。
透過坩堝2的構型、保溫材3的構型及加熱器7來控制坩堝2內溫度分佈、氣氛流動及料源的昇華過程，將昇華之氣體分子傳送並沉積在晶種1(晶片)上而製成碳化矽晶體。在長晶過程的一實施例中，製程條件為控制坩堝內底部到晶種區的溫差範圍為10℃至300℃，氬氣流量範圍控制在100至1000sccm，壓力範圍控制在1至200torr，長晶時晶種溫度範控制於2000℃至2270℃之間。其中最重要的是控制料源的純度及型態、長晶溫度區間、及長時間長晶，以先消耗系統內部導電元素後，當晶體內部本徵缺陷生成後便可主導晶體電性表現。
根據前述實施例成長系統所形成的高純度半絕緣單晶碳化矽晶體，其透過在晶種的生長表面上沉積含Si和C的蒸氣物質生長，包括單一多形體的單晶，該高純度半絕緣單晶碳化矽晶體內具有矽空缺，其中矽空缺濃度至少大於5E11cm^-3，小於5E13cm^-3。在先前技術中，通常，碳化矽晶片中固有的矽空缺濃度約為2E11cm^-3至3E11cm^-3。
在一實施例中，根據前述實施例成長系統所形成的高純度半絕緣單晶碳化矽晶體，其直徑大於等於90毫米。
在一實施例中，根據前述實施例成長系統所形成的高純度半絕緣單晶碳化矽晶體，其直徑小於等於200毫米。
在一實施例中，根據前述實施例成長系統所形成的高純度半絕緣單晶碳化矽晶體，其電阻率大於1E7 ohm-cm。
在一實施例中，根據前述實施例成長系統所形成的高純度半絕緣單晶碳化矽晶體，其微管密度少於每平方釐米3個。
在一實施例中，根據前述實施例成長系統所形成的高純度半絕緣單晶碳化矽晶體，其微管密度少於每平方釐米2個。
在一實施例中，根據前述實施例成長系統所形成的高純度半絕緣單晶碳化矽晶體，其微管密度少於每平方釐米1個。
在一實施例中，根據前述實施例成長系統所形成的高純度半絕緣單晶碳化矽晶體，其微管密度少於每平方釐米0.4個。
在一實施例中，根據前述實施例成長系統所形成的高純度半絕緣單晶碳化矽晶體，其微管密度少於每平方釐米0.1個。
在一實施例中，根據前述實施例成長系統所形成的高純度半絕緣單晶碳化矽晶體，其所包括的單一多形體的單晶選自碳化矽的3C，4H，6H和15R多形體，其中4H多形體是目前最優選的。晶片可以選自碳化矽的3C，4H，6H和15R多形體，其中4H多形體是目前最優選的。 可獲得的晶片是沿軸取向的，例如正軸取向，或者多種離軸取向的，比如（但不限於）選自4°和3.5°和2°。
在一實施例中，根據前述實施例成長系統所形成的高純度半絕緣單晶碳化矽晶體的厚度至少8 mm。
在一實施例中，根據前述實施例成長系統所形成的高純度半絕緣單晶碳化矽晶體的厚度為8mm至30 mm。
以下的實施例說明本申請公開的高純度半絕緣單晶碳化矽晶體的具體製程，藉由物理氣相傳輸法(physical vapor transport, PVT)，使用高純度長晶原料及部件、調整製程窗口及時間，除晶體生長過程中可以有效抑制雜質及導電元素進入晶體內，提升晶體品質，並輔以熱場優化及製程控制，除使整體之長晶生長面更平坦外，並使晶體本徵缺陷濃度提升，達到4到6英吋碳化矽晶體電阻率至1E7 ohm-cm。
第一個實施例說明利用圖1的成長系統成長6英吋單晶碳化矽晶體。本實施例使用之起始原料為純度99.99%以上之高純度碳化矽粉料，平均粒度為5至20mm，初始矽/碳比為1，長晶後重新測量餘料的矽/碳比下降至0.85。
搭配上述碳化矽料源以PVT法製備4H-SiC單晶晶體，生長製程於高溫真空感應爐中的石墨坩堝進行，晶種長晶溫度約為2100℃，系統使用Ar為載體氣體，其系統長晶時壓力約為5 torr，生長時間為150小時。使用約500µm碳化矽單晶晶圓片作為晶種。
首先進行抽氣製程，將4H-SiC晶種以固持器加以固定，然後進行抽氣，以移除坩堝系統內的空氣及其他雜質。抽完氣後，進行加熱製程。於加熱製程中，加入惰性氣體Ar作為輔助氣體，並使用加熱線圈加熱整個系統，加熱至約2100℃並持續長晶時間長達150小時。透過第一實施例的製程條件可產出晶體界面形狀為凸界面的6英吋單晶碳化矽晶球，其晶體生長速率可達100-250µm/hr。
成長完後的晶體，可以對其進行電阻率、微管密度、雜質元素或者矽空缺的測量。將成長後的晶體進行切片研磨後得到晶片（或稱晶圓），晶片不須退火即可進行電阻率量測。量測6英吋晶片中心140mm區域，電阻值皆大於1E7 ohm-cm，如圖2所示。
使用X光拓樸儀分析6英吋晶片，得到微管數量為10，整體6英吋微管密度為微管數量/6英吋晶圓面積，即為10/(7.5*7.5*3.1416)= 10/176.75= 0.056，亦即這個實施例的微管密度少於每平方釐米0.1個，如圖3所示。
使用輝光放電質譜（Glow Discharge Mass Spectrometer ，GDMS）及二次離子質譜（Secondary Ion Mass Spectroscopy，SIMS）分析6英吋晶圓的雜質元素，可得到如下表的結果，其中，N元素使用SIMS量測，其他元素使用GDMS量測，提供ppm及離子濃度兩種單位，晶體內導電性雜質元素含量皆小於5E15cm^-3。
晶體編號 實施例1
元素 GDMS (ppm/cm^-3)
N SIMS: 4.30E+15
B 0.02  (3.76E+15)
Al 0.04 (2.87 E+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)
對6英吋晶圓進行電子順磁共振（EPR）光譜分析，可得晶體中主要缺陷為矽空缺，如圖4所示，利用光學檢測之結果，圖中所示的矽空缺濃度為5.22E11 cm^-3至1.02E12 cm^-3。
第二個實施例說明利用圖1的成長系統成長4英吋單晶碳化矽晶球。本實施例使用之起始原料為純度99.99%以上之高純度碳化矽粉料，平均粒度為100至300μm，初始矽/碳比為1，長晶後重新測量餘料的矽/碳比下降至0.87。
搭配上述碳化矽料源以PVT法製備4H-SiC單晶晶體，生長製程於高溫真空感應爐中的石墨坩堝進行，而晶種長晶溫度約為2180℃，系統使用Ar為載體氣體，其系統長晶時壓力約為5 torr，生長時間為200小時，使用約500μm碳化矽單晶晶圓片作為晶種。
首先進行抽氣製程，將4H-SiC晶種以固持器加以固定，然後進行抽氣，以移除坩堝系統內的空氣及其他雜質。抽完氣後，進行加熱製程。於加熱製程中，加入惰性氣體Ar作為輔助氣體，並使用加熱線圈加熱，整個系統加熱至約2100℃並持續長晶時間長達200小時。透過第二實施例的製程條件可產出晶體界面形狀為凸界面的直徑＞140 mm的單晶碳化矽晶球，其晶體生長速率可達100-250μm/hr。
成長完後的晶體，可以對其進行電阻率、微管密度、雜質元素或者矽空缺的測量。將成長後的晶體進行切片研磨後得到晶片（或稱晶圓），晶片，不須退火即可進行電阻率量測。量測4英吋晶圓中心90mm區域，電阻值皆大於1E11ohm-cm，如圖5所示。
使用X光拓樸儀分析4英吋晶片，得到微管數量為1，整體4英吋微管密度為微管數量/4英吋晶圓面積，即為1/(5*5*3.1416)= 1/78.54= 0.012 ，亦即這個實施例的微管密度少於每平方釐米0.02個，如圖6所示。
使用GDMS及SIMS分析6英吋晶圓的雜質元素，可得到如下表的結果，晶體內導電性雜質元素含量皆小於1E16cm^-3。
晶體編號 實施例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)
對4英吋晶圓進行EPR分析，可得晶體中主要缺陷為矽空缺，如圖7所示，利用光學檢測之結果，圖中所示的矽空缺濃度為7.07E12 cm^-3。
我們將第二實施例的晶體中進行切割，並且對不同位置的切片進行矽空缺濃度分析，如圖8所示。以圖1的成長系統為例，較靠近晶種的切片編號為1，一共切割20片，亦即圖8橫軸的編號。由晶種至長晶表面，矽空缺濃度分別為1.9E12cm^-3、7E12 cm^-3、5.9E12 cm^-3、及3.3 E12 cm^-3。
根據前述實施例的高純度半絕緣單晶碳化矽晶片，包括單一多形體的單晶，該高純度半絕緣單晶碳化矽晶片內具有矽空缺，其中矽空缺濃度至少大於5E11cm^-3，小於5E13cm^-3。
在一實施例中，根據前述實施例的高純度半絕緣單晶碳化矽晶片，其直徑大於等於90毫米。
在一實施例中，根據前述實施例的高純度半絕緣單晶碳化矽晶片，其直徑小於等於200毫米。
在一實施例中，根據前述實施例成長系統所形成的高純度半絕緣單晶碳化矽晶片，其電阻率大於1E7 ohm-cm。
在一實施例中，根據前述實施例的高純度半絕緣單晶碳化矽晶片，其微管密度少於每平方釐米3個。
在一實施例中，根據前述實施例的高純度半絕緣單晶碳化矽晶片，其微管密度少於每平方釐米2個。
在一實施例中，根據前述實施例的高純度半絕緣單晶碳化矽晶片，其微管密度少於每平方釐米1個。
在一實施例中，根據前述實施例的高純度半絕緣單晶碳化矽晶片，其微管密度少於每平方釐米0.4個。
在一實施例中，根據前述實施例的高純度半絕緣單晶碳化矽晶片，其微管密度少於每平方釐米0.1個。
在一實施例中，根據前述實施例成長系統所形成的高純度半絕緣單晶碳化矽晶片，其所包括的單一多形體的單晶選自碳化矽的3C，4H，6H和15R多形體，其中4H多形體是目前最優選的。晶片可以選自碳化矽的3C，4H，6H和15R多形體，其中4H多形體是目前最優選的。 可獲得的晶片是沿軸取向的，例如正軸取向，或者多種離軸取向的，比如（但不限於）選自4°和3.5°和2°。
依據本申請的晶片適合用於高頻功率器件，高功率器件，高溫器件、光電子器件以 及III族氮化物的沈積。
依據本申請的晶片適合作為單光子光源，亦即量子電腦的積體電路基板。
參考圖9，展示了第二實施例的電子順磁共振（EPR）光譜。將樣品切成5.5cm×7mm的尺寸，並用9.70396×1E9 Hz的微波照射。在光譜中，碳化矽晶片在300K溫度下在3460.70343G處產生零點。通過公式hυ=gμB B（h：普朗克常數，υ：頻率； g：g因子；μB：Bohr磁子； B：磁場）進行計算後，實施例2編號11的晶片的g因子為2.00343，這意味著矽空缺包含在碳化矽中（矽空缺的信號為g = 2.0032±0.0004）。
參考圖10，是第二實施例的晶片的光致發光光譜。某些拉曼信號對摻雜濃度和空位濃度不敏感，例如，橫向-光學模式。對於785nm激光激發，在851nm波長處是LO模式，在838nm波長處是4H-SiC的TO模式。在圖9中，實施例二19的光致發光與LO模式拉曼信號之比（比率（PL / LO））為5.1。因此，實施例二中的矽空缺密度約為5.1÷0.7 = 7.29（×1E12cm^-3）。實際上，LO模式峰值的強度和波數受摻雜濃度的影響很大，並導致難以通過比率（PL / LO）來推測SiC的空位密度。為了測量不同的電阻率SiC，使用TO模式的光致發光信號來測量矽空缺濃度，因為它在不同晶片中的穩定性和與光致發光相同的測量面積。在圖9中，實施例二的光致發光和TO模式拉曼信號的比率（比率（PL/TO））為4.50。結果，可以通過以下公式計算4H-SiC中的矽空缺密度：V_Si的密度＝PL/TO×7.29÷4.47＝PL/TO×1.63。 PL/TO比率為所對應之激發光的峰值除以激發光譜中拉曼散射TO模態的峰值(840 nm附近)，由此計算可得單位晶格矽空缺致發光的矽空缺密度(1 PL/TO → 1.630 *10^12/cm^3)。
同樣的方式測試實施例一，其系列中的平均空位密度最大值為3.26×1E12cm^-3。
圖11為第一實施例的PL/TO比率。以第一實施例為例，選定九個測量點，PL/TO比率如圖所示，而ABCDEFGHI九個測量點的PL/TO比率、矽空缺濃度與電阻率數值如下表：
測量點 PL peak/TO mode 矽空缺濃度 (cm^-3) 電阻率(ohm-cm)
A 0.45 7.34E+11 1E11
B 0.43 7.01E+11 1E9
C 0.5 8.15E+11 1E11
D 0.32 5.22E+11 1E10
E 0.4 6.52E+11 1E11
F 0.64 1.04E+12 1E11
G 0.64 1.04E+12 1E11
H 0.65 1.06E+12 1E11
I 0.49 7.99E+11 1E10
圖12為本申請第三實施例，其直徑為60 mm，圖13為本申請第四實施例，其直徑為120mm，圖12與圖13顯示微管密度（Micro-pipe density，MPD）。圖示中將碳化矽晶片區分成多個方格，方格裡的數字代表微管數量。第三實施例的微管數量為60，除以晶片面積，可以得到微管密度為2.1/cm^2。第三實施例的微管數量為56個，除以晶片面積，可以得到微管密度為0.5/cm^2。
本申請在高純度長晶系統下，利用控制高純度長晶原料之Si/C比例及粒徑分佈，在晶體生長過程中控制長晶溫度及時間，使成長系統中成為富碳(C-rich)環境。在淺能級導電元素稀缺的狀態下，可以於晶體內生成本徵缺陷矽空缺並控制矽空缺濃度，以本徵缺陷做為其主導提升電阻率之機制，以達到半絕緣晶圓之電性範圍。
雖然圖式中包含了以上描述的元件，但不排除在不違反發明的精神下，使用更多其他的附加元件，以達成更佳的技術效果。此外，雖然實施例中步驟採用指定的順序來執行，但是在不違反發明精神的情況下，熟習此技藝人士可以在達到相同效果的前提下，修改這些步驟間的順序，所以，本申請並不侷限於僅使用如上所述的順序。此外，熟習此技藝人士亦可以將若干步驟整合為一個步驟，或者是除了這些步驟外，循序或平行地執行更多步驟，本申請亦不因此而侷限。
雖然本申請使用以上實施例進行說明，但需要注意的是，這些描述並非用以限縮本申請。相反地，此發明涵蓋了熟習此技藝人士顯而易見的修改與相似設置。所以，申請專利範圍須以最寬廣的方式解釋來包含所有顯而易見的修改與相似設置。
1:晶種 2:坩堝 3:保溫材 4:固持器 5:成長區 6:材料源 7:加熱器
此處所說明的附圖用來提供對本申請的進一步理解，構成本申請的一部分，本申請的示意性實施方式及其說明用於解釋本申請，並不構成對本申請的不當限定。在附圖中： 圖1是本申請用於成長高純度半絕緣單晶碳化矽晶體的成長系統的示意圖； 圖2是本申請的第一實施例中的高純度半絕緣單晶碳化矽晶體的電阻率量測結果； 圖3是本申請的第一實施例中的高純度半絕緣單晶碳化矽晶體的微管密度； 圖4是本申請的第一實施例中的高純度半絕緣單晶碳化矽晶體的電子順磁共振光譜； 圖5是本申請的第二實施例中的高純度半絕緣單晶碳化矽晶體的電阻率量測結果； 圖6是本申請的第二實施例中的高純度半絕緣單晶碳化矽晶體的微管密度； 圖7是本申請的第二實施例中的高純度半絕緣單晶碳化矽晶體的矽空缺； 圖8是本申請的第二實施例的碳化矽晶片的矽空缺濃度； 圖9是本申請的第二實施例的電子順磁共振光譜； 圖10是本申請的第二實施例的碳化矽晶片的光致發光光譜； 圖11是本申請的第一實施例的PL/TO比率； 圖12是本申請的第三實施例的高純度半絕緣單晶碳化矽晶片的微管密度；以及 圖13是本申請的第三實施例的高純度半絕緣單晶碳化矽晶片的微管密度。
1:晶種
2:坩堝
3:保溫材
4:固持器
5:成長區
6:材料源
7:加熱器

Claims (15)

  1. 一種高純度半絕緣單晶碳化矽晶片，包括單一多形體的單晶，該高純度半絕緣單晶碳化矽晶片內具有矽空缺，其中該矽空缺濃度大於5E11cm^-3，且該矽空缺濃度小於5E13cm^-3。
  2. 如請求項1所述的高純度半絕緣單晶碳化矽晶片，其中該高純度半絕緣單晶碳化矽晶片在室溫下的電阻率大於1E7 ohm-cm。
  3. 一種高純度半絕緣單晶碳化矽晶片，包括單一多形體的單晶，該高純度半絕緣單晶碳化矽晶片內具有矽空缺，其中該矽空缺濃度大於5E11cm^-3，且該高純度半絕緣單晶碳化矽晶片的微管密度少於每平方釐米3個。
  4. 如請求項3所述的高純度半絕緣單晶碳化矽晶片，其中該高純度半絕緣單晶碳化矽晶片的微管密度少於每平方釐米2個。
  5. 如請求項4所述的高純度半絕緣單晶碳化矽晶片，其中該高純度半絕緣單晶碳化矽晶片的微管密度少於每平方釐米1個。
  6. 如請求項5所述的高純度半絕緣單晶碳化矽晶片，其中該高純度半絕緣單晶碳化矽晶片的微管密度少於每平方釐米0.4個。
  7. 如請求項6所述的高純度半絕緣單晶碳化矽晶片，其中該高純度半絕緣單晶碳化矽晶片的微管密度少於每平方釐米0.1個。
  8. 如請求項1所述的高純度半絕緣單晶碳化矽晶片，其中該單一多形體選自碳化矽的3C，4H，6H和15R多形體。
  9. 如請求項1所述的高純度半絕緣單晶碳化矽晶片，其中碳化矽晶片的直徑大於等於90毫米。
  10. 如請求項1所述的高純度半絕緣單晶碳化矽晶片，其中碳化矽晶片的直徑小於等於200毫米。
  11. 一種正軸碳化矽晶片，包括單一多形體的單晶，該正軸碳化矽晶片內具有矽空缺，其中該矽空缺濃度大於5E11cm^-3，且該矽空缺濃度小於5E13cm^-3。
  12. 一種離軸碳化矽晶片，包括單一多形體的單晶，該離軸碳化矽晶片內具有矽空缺，其中該矽空缺濃度大於5E11cm^-3，且該矽空缺濃度小於5E13cm^-3。
  13. 如請求項12所述的離軸碳化矽晶片，其中離軸取向的量選自4°和3.5°和2°。
  14. 一種高純度半絕緣單晶碳化矽晶體，該碳化矽晶體透過在晶種的生長表面上沉積含矽和碳的蒸氣物質生長，該碳化矽晶體包括單一多形體的單晶，該高純度半絕緣單晶碳化矽晶體內具有矽空缺，其中該矽空缺濃度大於5E11cm^-3。
  15. 如請求項14所述的高純度半絕緣單晶碳化矽晶體，其中該矽空缺濃度小於5E13cm^-3。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI771781B (zh) * 2020-10-26 2022-07-21 國家中山科學研究院 一種正軸碳化矽單晶成長方法
KR102321229B1 (ko) * 2021-03-30 2021-11-03 주식회사 쎄닉 탄화규소 웨이퍼 및 이를 적용한 반도체 소자

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006001784A (ja) * 2004-06-17 2006-01-05 Nippon Steel Corp 炭化珪素単結晶および単結晶ウェハ
CN102560671A (zh) * 2010-12-31 2012-07-11 中国科学院物理研究所 半绝缘碳化硅单晶

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5611955A (en) 1993-10-18 1997-03-18 Northrop Grumman Corp. High resistivity silicon carbide substrates for high power microwave devices
SE520968C2 (sv) * 2001-10-29 2003-09-16 Okmetic Oyj Högresistiv monokristallin kiselkarbid och metod för dess framställning
US7601441B2 (en) 2002-06-24 2009-10-13 Cree, Inc. One hundred millimeter high purity semi-insulating single crystal silicon carbide wafer
SE525574C2 (sv) * 2002-08-30 2005-03-15 Okmetic Oyj Lågdopat kiselkarbidsubstrat och användning därav i högspänningskomponenter
JP5155536B2 (ja) * 2006-07-28 2013-03-06 一般財団法人電力中央研究所 ＳｉＣ結晶の質を向上させる方法およびＳｉＣ半導体素子の製造方法
JP5706671B2 (ja) * 2010-11-15 2015-04-22 独立行政法人産業技術総合研究所 昇華再結晶法による炭化ケイ素単結晶製造用炭化ケイ素粉体及びその製造方法
CN104364428B (zh) 2012-05-24 2017-09-05 Ⅱ－Ⅵ公司 钒补偿的NU型和PI型SI SiC单晶及其晶体生长方法
HUP1900269A1 (hu) * 2019-07-26 2021-01-28 Mta Wigner Fizikai Kutatokoezpont Eljárás ponthibákat (vakancia) tartalmazó anyagrészecskék elõállítására

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006001784A (ja) * 2004-06-17 2006-01-05 Nippon Steel Corp 炭化珪素単結晶および単結晶ウェハ
CN102560671A (zh) * 2010-12-31 2012-07-11 中国科学院物理研究所 半绝缘碳化硅单晶

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
期刊 Jason R. Jenny, D.P. Malta, M.R. Calus, Stephan G. Müller, Adrian R. Powell, Valeri F. Tsvetkov, H. McD. Hobgood, R.C. Glass, Calvin H. Carter Jr. Development of Large Diameter High-Purity Semi-Insulating 4H-SiC Wafers for Microwave Devices Materials Science Forum 457-460:35-40 457-460 Scientific.Net 2004 35-40 *
期刊 R. Aavikko, K. Saarinen, F. Tuomisto, B. Magnusson, N. T. Son, and E. Janzén Clustering of vacancy defects in high-purity semi-insulating SiC Phys. Rev. B 75(8) APS 2007-02-13 085208; *

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