[发明专利]一种快速生长大尺寸碳化硅单晶的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种快速生长大尺寸碳化硅单晶的方法，属于无机非金属材料领域。

背景技术

随着第一代硅半导体和第二代砷化镓半导体材料发展的成熟，其器件应用也趋于极限。与前两代相比，SiC具有明显的优越性。碳化硅单晶具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率大、电子饱和漂移速度高、介电常数小、抗辐射能力强、良好的化学稳定性等独特的特性，被认为是制造光电子器件、高频大功率器件、电力电子器件理想的半导体材料，在白光照明、光存储、屏幕显示、航天航空、高温辐射环境、石油勘探、自动化、雷达与通信、汽车电子化等方面有广泛应用，是最理想的第三代半导体材料之一。

目前，生长SiC晶体最有效的方法是物理气相传输法，整个生长系统包括生长室、感应加热系统及水冷系统，坩埚及保温材料(典型的生长室结构如图3所示)。通过调节坩埚和加热线圈的相对位置和保温材料的厚度，使坩埚上部籽晶处的温度低于坩埚底部SiC粉料处的温度，依次达到晶体生长的目的。目前，所有制备SiC单晶的方法如中国授权专利CN1282770C公开的“一种生长具有半导体特性的大直径6H-SiC单晶的装置和方法”、CN1544713公开的“一种碳化硅晶体生长装置”以及CN1544715公开的“物理气相传输生长碳化硅单晶的方法及其装置”中，均采用上述方法，即直接采用SiC粉料作为源粉进行单晶生长。因此该SiC原粉料需要在专用的合成炉中提前合成。

关于SiC粉料合成技术主要采用高纯硅粉和高纯碳粉高温固相合成，如中国专利文件CN102701208A通过的方法是将高纯硅粉和高纯碳粉混合均匀后，然后进行高真空热处理，即采用高纯惰性气体在不同压力和不同温度下抽真空清洗，最终获得氮含量在15ppm以下的高纯碳化硅粉体。CN103708463A公开了公斤级高纯碳化硅粉的制备方法，该方法首先进行坩埚镀膜预处理，先镀碳膜然后镀碳化硅膜，然后将硅粉和碳粉混合均匀后放入中频加热炉，升温通入氩气、氦气等气体，保温一定时间后降温，即可得到公斤级高纯碳化硅粉料。CN101302011A公开了用于半导体单晶生长的高纯碳化硅粉的人工合成方法，主要采用二次合成方法，将硅粉和碳粉混合后，第一次先低温1500℃合成，然后将一次合成的粉料混合均匀后升高温度到1800-2000℃进行二次合成，该方法可有效去除硅粉和碳粉中的杂质元素。

综上所述，现有技术均采用先合成SiC粉料，再进行晶体生长，所需设备及附加设施投入大，耗时长，不能符合产业化生产的要求，因此在保证晶体质量的前提下，简化工艺流程，快速生长，投资少，节约时间是生长大尺寸单晶研究领域中的重要任务。

发明内容

本发明针对现有SiC单晶生长技术存在的不足，提供一种快速生长大尺寸碳化硅单晶的方法，在保证晶体质量的前提下，能够实现低设备投入、工艺流程简化的原位合成粉料并原位生长SiC单晶。

本发明的技术方案如下：

一种快速生长大尺寸碳化硅单晶的方法，包括步骤如下：

(1)将硅粉和碳粉按摩尔比1:1混合均匀，平摊在石墨坩埚底部；在硅粉和碳粉混合料的表面放置一个多孔石墨片；

(2)将籽晶固定在石墨坩埚顶部籽晶座上，对生长室抽真空，除去生长室中的氧气和氮气，同时将温度升高到1000℃，然后向生长室通入Ar气，或者Ar与H₂按体积比为5:1～9:1的混合气体，加热至1600-2000℃，压力控制在800-900mbar，保持反应时间2-5小时，而后开始降温至室温，原位得到适用于SiC单晶生长的SiC源料；

(3)升高温度至2200-2500℃，继续通入Ar气，缓慢降压至10-50mbar，底部粉料升华至籽晶表面，生长30-50小时后，逐渐降温至室温，生长结束，得SiC单晶。

根据本发明优选的，上述步骤(1)中，硅粉粒度为10-100μm，碳粉粒度为10-100μm。所述硅粉和碳粉纯度均在99.999％以上。

根据本发明优选的，上述步骤(1)中多孔石墨片上孔的尺寸小于硅粉和碳粉的粒度；孔形状为圆形、方形、三角形或其他形状，周期性排列或者不规则排列。进一步优选为，多孔石墨片上孔是周期性均匀排列的圆形孔或正三角形孔。

根据本发明优选的，上述步骤(1)中，多孔石墨片厚度为1-20mm。孔形的尺寸为5-90μm，所述孔形的尺寸具体为：圆形孔以孔直径计量、方形孔以最短边长的长度计量、三角形以最短的边长计量。