[发明专利]N型碳化硅晶体、制备方法及生长装置

说明书

本申请公开了一种N型碳化硅晶体、制备方法及其生长装置，制备方法首先在晶体生长坩埚内放置晶体生长原料，晶体生长原料包括碳化硅粉、氮化硅粉和硅粉，并在坩埚顶部设置碳化硅籽晶，将坩埚放置在用于晶体生长的热场中；第二步通入氩气维持坩埚内部气体压力，同时热场将温度升温，维持晶体生长温度和生长压力一定时间，得到N型碳化硅晶体。本申请的制备方法能够改善反应后期硅碳比失衡的现象，提升制得的晶体品质。

技术领域

本申请涉及晶体生长技术领域，具体地涉及一种N型碳化硅晶体、制备方法及生长装置。

背景技术

碳化硅（SiC）具有宽禁带、高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和迁移速度等特点，在高温、高频、大功率、微电子器件等方面具有巨大的应用潜力，当前第三代半导体材料中最有代表意义的一种单晶化合物。碳化硅晶体生长目前大多数采用PVT技术，即物理气相传输：固态的碳化硅粉放置在由石墨制成的坩埚中，坩埚的顶部粘贴有所需晶型的籽晶。整个坩埚由一定量的石墨毡包裹保温后通过感应线圈的电磁感应加热形成特定的温度场。当进行晶体生长时，作为生长原料的固态SiC粉体发生非化学计量比的分解升华并生成各种形式的气相组分。气相组分在轴向温度梯度的驱动下向温度相对较低的晶体生长界面输运，并在生长界面上重新结晶为SiC晶体。

由于碳化硅在器件设计中的要求不同，目前由生长的晶体制备出的衬底可分为半绝缘型和导电型。而导电型碳化硅衬底可根据使用的掺杂元素被分为N型和P型。其中N型碳化硅衬底常使用的掺杂元素为氮，其的掺杂方式一般为在晶体生长过程中气氛中加入一定分压的氮气，使得氮原子在晶体生长过程中进入到晶体中。

N型碳化硅在半导体照明与力电子器件方面主要作为衬底材料应用，衬底材料的电阻率大小以及均匀性对器件的性能有重要影响；其在晶体生长的过程中，需要在密闭高温腔体内进行SiC原子有序排列并完成晶体生长,同时要精确控制主动掺杂的N原子。

现有技术碳化硅的高温分解中，碳原子与硅原子并不是按照固相粉末1:1的比例进入气相中，硅原子更容易进入到气相，使得残留的粉料中更多的碳元素残留并逐渐石墨化，碳元素随着碳化硅的气流沉积到生长界面，产生“碳包裹”的缺陷；其次，由于氮气的分压是恒定的，而碳硅比逐渐升高，出现掺杂不均匀或掺杂失控的现象，制备的衬底材料电阻率偏差超标或电阻率超标。

发明内容

本申请的目的在于提供一种N型碳化硅的制备方法，能够改善晶体生长后期硅碳比失衡的现象，并提升氮掺杂的均匀性。

为达到以上目的，本申请采用的技术方案为：提供一种N型碳化硅晶体的制备方法，包括以下制备步骤，S1：在晶体生长坩埚内放置晶体生长原料，所述晶体生长原料包括碳化硅粉、氮化硅粉和硅粉，并在所述坩埚顶部设置碳化硅籽晶，将所述坩埚放置在用于晶体生长的热场中；S2：通入氩气维持所述坩埚内部气体压力，同时所述热场将温度升温，维持晶体生长温度和生长压力一定时间，得到N型碳化硅晶体。

作为一种优选，所述氮化硅粉的添加量为所述晶体生长原料总质量的0.2%~2%。

作为另一种优选，所述硅粉的添加量为所述晶体生长原料总质量的0.1%~3%。

作为另一种优选，所述氮化硅粉的中位粒径D50为0.3~0.7 µm，所述硅粉的中位粒径D50为0.3~0.7 µm。

作为另一种优选，所述氮化硅粉的纯度不低于99.99%，总氧含量不低于0.05%，含氮量不低于38%，α相含量95%；所述硅粉的纯度不低于99.99%。

作为另一种优选，在S1步骤中，将所述氮化硅粉和硅粉放置于至少两个小坩埚内部，所述小坩埚四周填充所述碳化硅粉。

作为另一种优选，所述小坩埚沿水平方向至少设置两排，其中靠近所述籽晶托的一排所述小坩埚内放置所述氮化粉，靠近所述底部的所述小坩埚内放置所述氮化硅粉和硅粉。

进一步优选，所述小坩埚的材质为多孔碳化钽陶瓷。