[发明专利]一种高质量低电阻率的p型SiC单晶制备方法

说明书

本发明涉及一种高质量低电阻率p型SiC单晶的制备方法。该方法包括：在生长坩埚内提供SiC源材料和B掺杂剂、Al掺杂剂以及SiC籽晶；将Al掺杂剂盛于中心小坩埚内；将B掺杂剂分别盛于若干小坩埚内，对称放置于所述中心小坩埚两侧或四周；炉内抽真空后，通入氩气作为载气；中频感应加热所述生长坩埚建立温度梯度，提供生长环境；SiC及B掺杂剂、Al掺杂剂升华至SiC籽晶进行晶体生长。本发明的方法能保持生长的p型SiC单晶在晶体径向和轴向掺杂的均匀性，切割成晶片后，不仅其电阻率得以降低，而且在晶体轴向、径向上的电阻率偏差也明显减小。

技术领域

本发明涉及一种高质量低电阻率p型SiC单晶的制备方法，属于晶体生长技术领域。

背景技术

SiC材料是目前发展比较成熟的第三代半导体材料的典型代表，与传统的第一代、第二代半导体材料相比，SiC具有禁带宽度大、临界击穿场强高、热导率高、化学性能稳定等优良特性，是制备高温、高频、大功率、抗辐射电子器件的理想材料。根据SiC材料的导电性，可以将SiC材料分为：半绝缘SiC、n型SiC、p型SiC。其中，p型SiC单晶衬底主要有两个用途：①用于制作n沟道绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，降低器件在高压下(＞10kV)的导通电阻，②基于p型SiC单晶中存在很少基面位错的特点，p型SiC有望替代n型SiC，用作双极器件的衬底材料，提高器件的可靠性。为了降低器件的导通电阻，p型SiC衬底电阻率应＜0.2Ω·cm。Al元素是目前公认的最合适生长p型SiC单晶的掺杂元素，但Al元素在SiC禁带中产生的受主能级仍相对较高，如Al元素在4H-SiC中的激活能为190meV，如此高的激活能使Al原子在室温下仅电离出一小部分载流子，因此得到的p型SiC衬底电阻率较高，进而限制了p型SiC衬底的应用。在采用Al元素掺杂生长p型SiC单晶时，由于Al元素的蒸汽压高，在生长初期快速释放，导致在生长初期晶体中产生大量缺陷，生长后期，Al掺杂剂已耗尽，制备的p型SiC晶体产率非常低，且结晶质量非常差。此外，当重掺杂Al元素生长4H-SiC时，由于Al原子在SiC中占据Si位，Al原子的半径大于Si原子半径，严重影响4H-SiC的结构，在晶体中容易产生6H-SiC多型夹杂，甚至生长的晶体全部转换为6H-SiC晶体。

中国专利CN101932757公开了一种采用溶液法生长p型SiC单晶的方法。该方法中，C溶解在Si的熔体中作为第一溶液，将Al和N添加到第一溶液中，并且使Al的量大于添加的N的量，并将此溶液作为第二溶液，用于生长p型SiC。该方法可以用于溶液法生长厚度为几百微米或几毫米或更大的p型SiC单晶生长，还可以用于液相外延生长厚度为几微米至数十微米的薄膜。此外，还可以在溶液中添加Ti或Cr元素进一步降低p型SiC单晶的电阻率，但该方法只适用于溶液法生长p型SiC单晶。美国专利US8399888B2公开了一种通过采用Al与Ti、Cr等过渡金属元素共掺获得低电阻率p型SiC晶体的方法，该方法中，对Al、Ti等原子浓度做了进一步限定：当Al的掺杂浓度≥5×10¹⁸cm^-3且1×10¹⁷cm^-3≤Ti的掺杂浓度≤1×10¹⁸cm^-3时制备的p型SiC衬底比在同等情况下只采用Al元素掺杂获得p型SiC衬底的电阻率低。但是，该方法在SiC晶体中引入了Ti原子，由于Ti原子半径(145pm)比Si原子半径(117pm)、C原子半径(77pm)大的多，因此Ti原子的掺入会导致SiC晶格产生畸变，严重影响SiC的结晶质量。

发明内容

针对现有技术中p型SiC单晶晶型夹杂、电阻率高、电学性质不均匀、结晶质量差等技术难题，本发明提供一种高质量、低电阻率的p型SiC单晶制备方法。