[发明专利]一种SiC单晶衬底及其制备方法与应用

说明书

本发明属于新材料技术及晶体生长技术领域，涉及一种SiC单晶衬底及其制备方法与应用。其制备方法为：在生长坩埚内设置SiC源材料和SiC籽晶，SiC籽晶位于SiC源材料的上方，再将生长坩埚置于真空条件下，通入载气，然后加热并依次进行籽晶表面成核处理和单晶生长处理，降温；其中，SiC源材料的C/Si为(0.5～0.8):1或(1.2～1.5):1；或者，籽晶表面成核处理的载气气氛中，氮气的体积不低于载气体积的50％；或者，SiC源材料内添加p型掺杂剂。本发明制备的SiC单晶衬底部件具有高电导率、高孔隙率，而且操作简单、易于工业化生产。

技术领域

本发明属于新材料技术及晶体生长技术领域，涉及一种SiC单晶衬底及其制备方法与应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

据发明人研究了解，当SiC材料作为电催化和/或储能体系的电极材料时，要求SiC材料需同时满足高电导率和高孔隙率的特点。高电导率保证了SiC材料中有较多的载流子浓度，高电导率SiC材料通常通过在SiC单晶中掺杂大量施主原子或受主原子实现，然而SiC单晶中杂质含量过高会导致碳化硅单晶中产生大量层错、位错等缺陷，造成晶体质量劣化，影响碳化硅单晶质量。高孔隙率要求SiC单晶中存在密度较大的空心管道(即微管)，然而目前微管直径和分布无法有效控制。为了制备高电导率、高孔隙的碳化硅材料，通常采用高能量密度激光对高电导率的碳化硅衬底进行刻蚀，在碳化硅衬底上获得均匀分布的点阵，获得高电导率、高孔隙率碳化硅衬底。该方法由于需要用到高能量密度激光，造成高电导率、高孔隙率的SiC衬底制备成本较高、制备流程复杂。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种SiC单晶衬底及其制备方法与应用，本发明制备的SiC单晶衬底部件具有高电导率、高孔隙率，而且操作简单、易于工业化生产。

SiC作为半导体材料时，微管一直被认为是“致命”缺陷，会使器件的漏电流增加、击穿电压降低。相反的，SiC作为电催化和/或化学储能体系的电极材料时，微管的存在有利于孔隙率的增加，提高SiC材料的比表面积，在SiC单晶生长技术不成熟时，晶体生长过程中一般由于产生多型夹杂而增值微管，但微管并非满面密集分布，且微管的直径过大，往往超过数十微米，无法实现碳化硅的高孔隙率特点，即获得的碳化硅衬底比表面积过小，无法进行应用。尽管SiC单晶生长过程中微管作为一种常见缺陷，但如何实现微管均匀密集分布，提高SiC材料的表面积仍是本领域中的技术难题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一方面，一种SiC单晶衬底的制备方法，在生长坩埚内设置SiC源材料和SiC籽晶，SiC籽晶位于SiC源材料的上方，再将生长坩埚置于真空条件下，通入载气，然后加热并依次进行籽晶表面成核处理和单晶生长处理，降温；

其中，SiC源材料的C/Si为(0.5～0.8):1或(1.2～1.5):1；

或者，籽晶表面成核处理的载气气氛中，氮气的体积不低于载气体积的50％；

或者，SiC源材料内添加p型掺杂剂，p型掺杂剂位于SiC源材料的高温区。

本发明在SiC源材料中设置C/Si为(0.5～0.8):1或(1.2～1.5):1，目的在于使C/Si比远离1:1，此时由于SiC粉料中的C/Si失衡，粉料中升华出的Si、Si₂C、SiC₂等气相组分无法保护籽晶生长面，籽晶表面会发生分解，籽晶表面形成密集微管，获得多孔籽晶模板，实现微管在SiC单晶衬底中均匀密集分布。

本发明在籽晶表面成核处理过程中，保持氮气的体积不低于载气体积的50％，目的是在成核阶段营造过高的N₂分压环境，促进籽晶的分解，在籽晶表面形成密集微管，制备出多孔籽晶模板，实现微管在SiC单晶衬底中均匀密集分布。