[发明专利]一种IVB族原子和铝共掺制备p型4H-SiC的方法

说明书

本发明通过在4H‑SiC中掺入铝原子与IVB族原子，有效地降低了碳化硅晶体中铝的电离能，实现了低阻p型4H‑SiC的制备。本发明利用IVB族原子掺杂后引入一个空的杂质轨道e能级，与Al的3/4占据的e轨道形成有效的库伦排斥，从而降低Al杂质的电离能。IVB族原子的掺杂浓度保证在10¹⁷cm^‑3以上，铝原子的掺杂浓度在10²⁰cm^‑3左右。本发明解决了4H‑SiC中铝原子电离能较高的问题，增加了碳化硅中载流子有效浓度，降低4H‑SiC碳化硅晶体电阻率，对电力电子领域中各类电子器件的制造有重要的意义。

技术领域

本发明属于碳化硅晶体生长领域，具体涉及一种IVB(Ti/Zr/Hf)和铝共掺制备低阻p型4H-SiC的方法。

背景技术

碳化硅(SiC)由于更高饱和漂移速度和更高的临界击穿电压等突出优点，可以满足现代社会对高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等新要求，并且拥有体积小、污染少、运行损耗低等经济和环保效益。碳化硅被期待着应用于功率器件、高频器件、高温工作器件等。碳化硅功率半导体器件从上个世纪70年代开始研发，经过30年的积累，于2001年开始商用碳化硅SBD器件，之后于2010年开始商用碳化硅MOSFET器件。为了开发超过10kV的高耐压的SiC双极元件，目前如IGBT和BJTs等当前碳化硅器件还在研发当中。其中，n型通道IGBT的导通电阻要比p型通道IGBT更加优越。这就对低电阻率的p型碳化硅衬底提出了需求。但是，目前商用p型4H-SiC衬底的电阻率大约为2.5Ω˙cm，远远高于n型衬底。

目前n型碳化硅的杂质主要是N元素掺杂，N杂质取代C的位置，其电离能在60meV；p型碳化硅杂质主要是Al杂质，电离能为200meV左右。Al杂质高的电离能，使得p型SiC衬底在室温下不能完全电离，有效的载流子浓度较低，从而电阻率较大。为了获得稳定的4H-SiC晶型，碳化硅在氮气气氛下生长，氮原子占据碳的晶格格点，使得生长气氛变富碳。

发明内容

本发明的目的在于为了解决现有p型4H-SiC中掺杂剂铝电离能较高，载流子浓度低的问题，使得电阻率较大的缺陷，而提供一种降低Al杂质的电离能，获得低电阻率的p型碳化硅材料的IVB族原子和铝共掺制备p型4H-SiC的方法，本发明在利用IVB族原子掺杂后会引入一个空的杂质轨道e能级，与Al的3/4占据的e轨道能够形成有效的库伦排斥。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种IVB族原子和铝共掺制备p型4H-SiC的方法，所述方法包括：将碳化硅原料与铝源置于同一生长环境中，引入IVB族原子，通入还原气体，进行结晶生长；其中，铝原子的掺杂浓度为1.0×10²⁰cm^-3以上，IVB族原子的掺杂浓度为1.0×10¹⁷cm^-3以上；所述IVB族原子的引入通过含有IVB族原子的固态源或含有IVB族原子的气态源。