一种高掺杂均匀性p型SiC的生长方法

一种高掺杂均匀性p型sic的生长方法
技术领域
1.本发明涉及一种高掺杂均匀性p型sic的生长方法，属于半导体技术领域。


背景技术：

2.碳化硅作为第三代半导体材料，具有禁带宽度大、高饱和电子速率、高临界击穿电场强、高热导率等优异的半导体性能，非常适合制备高温、高频、大功率半导体器件。碳化硅器件在航空、航天探测、电网传输、5g通信、新能源汽车等的领域有着重要的应用。igbt(insulated-gate-bipolar-transistor)即绝缘栅双极晶体管是由bjt(双极型三极管)和mos(绝缘栅型场效应管)组成的复合式半导体。igbt兼具mos和bjt的优点，其导通原理与mosfet类似，都是通过电压驱动进行导通。但是，igbt相比于mosfet，拥有高输入阻抗和低导通压降的特点，在高压环境下传导损耗较小。igbt的应用领域广泛，小到家电、数码产品，大到航空航天、高铁等领域，新能源汽车、智能电网等新兴应用也会大量使用igbt。理论模拟表明：n沟道sic igbt在性能上远远优于p沟道sic igbt，因此n沟道sic igbt器件是未来主要的大功率电力电子器件发展的重点。由于，p型sic对高效率n沟道igbt的构建起着不可替代的作用，故对高质量p型sic的研发具有很大意义。
3.目前生长p型sic常用的掺杂方法有双感应加热区掺杂法和小坩埚密封缓释法。主要的p型sic掺杂元素有al、b等。由于al的电离能最低，故al元素是最佳的p型sic掺杂元素。含al的化合物(al4c3、al2o3等)熔沸点远低于晶体的生长的粉料区温度，传统掺杂工艺很难达到均匀释放al源的目的。双感应加热区掺杂法包含有两个加热区，将熔沸点较低的al化合物放置在较低温度的加热区内高温气化，将需要更高温度升华的sic粉料放置在温度高的加热区，来达到生长过程均匀al掺入的目的。但是，双感应加热区由于有两个加热系统，操作起来更复杂，在生长过程中很有可能使生长组分倒流向放有掺杂剂的低温区，对碳化硅晶体生长产生不利影响。小坩埚密封法则在高温状态下对al源进行物理上的密封，通过al化合物较大的蒸汽压力往外释放。但是，由于al源的蒸汽压在高温状态下过大，依靠石墨材质很难将al的释放速率控制。因此在生长过程中，al源会过早的释放，al元素集中掺入到晶体生长前期，导致中后期的al源不足，致使al掺杂浓度在晶体轴向上极度不均匀。al源的过早集中释放会同时引起初期较大的晶格畸变，对后面生长晶体的晶型稳定性和结晶质量产生不良影响。
4.中国专利文献cn202010613663.6公开了利用稀土元素掺入高纯c粉和si粉中进行含有稀土元素sic粉料的合成。该发明的目的是为稳定4h-sic晶体的晶型，过量或少量的掺入均会引起晶体质量的下降，得到的不是p型sic。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，尤其是p型sic在生长过程中的掺杂不均匀性的难题，本发明提供一种高掺杂均匀性p型sic的生长方法。
6.本发明首先制备含掺杂元素的sic晶粒或sic多晶块，通过sic晶粒或多晶块锁住
掺杂元素法来实现掺杂元素的均匀持续释放，密封掺杂元素的sic晶粒或多晶块作为生长源，可极大的提高掺杂元素在晶锭轴向和径向上掺入的均匀性，得到p型sic，减缓生长过程掺杂元素的掺入不均匀性，提高晶体质量。
7.本发明是通过如下技术方案实现的：
8.一种高掺杂均匀性p型sic的生长方法，包括步骤如下：
9.1)将c粉和si粉按摩尔比1～1.4:1的比例混合，掺入掺杂源，混合均匀，得到混合物；
10.2)将混合物置于碳石墨坩埚中，升温至1600-2400℃，在1-900mbar下保温3-100h，得到含掺杂元素的sic晶粒或sic多晶块；
11.3)将含掺杂元素的sic晶粒或sic多晶块置于生长坩埚中，充当生长源，将生长坩埚放入pvt单晶炉生长腔中，进行p型晶体生长。
12.根据本发明优选的，步骤1)中，掺杂源为al源、b源或ga源。
13.根据本发明优选的，步骤1)中，掺杂源为al源，al源为al4c3或al2o3。
14.根据本发明优选的，步骤1)中，掺杂源的质量为x，c粉和si粉的总质量为y，0＜x:y＜0.5。
15.根据本发明优选的，步骤2)中，升温至1600-2100℃，在600～900mbar下保温4-8h，得到含掺杂元素的sic晶粒。
16.根据本发明优选的，步骤2)中，升温至2000-2400℃，在1-20mbar下保温60-100h，得到含掺杂元素的sic多晶块。
17.本发明的合成温度，确保了掺杂元素能够融合到sic多晶块或sic晶粒中。
18.根据本发明优选的，步骤3)中，p型晶体生长温度为2000-2300℃，生长压力为1-40mbar，晶体生长时间为50-120h。
19.本发明通过含掺杂元素的sic晶粒或sic多晶块进行p型晶体生长，由于掺杂元素的均匀释放，可以均匀的掺入到sic单晶中，不会引起sic单晶晶格的局部剧烈变化，可以保持晶型稳定，获得晶型单一且电阻率均匀的p型sic单晶衬底。
20.本发明的技术特点及优点：
21.1、本发明通过含掺杂元素的sic晶粒或sic多晶块进行p型晶体生长，由于掺杂元素的均匀释放，可以均匀的掺入到sic单晶中，不会引起sic单晶晶格的局部剧烈变化，可以保持晶型稳定，获得晶型单一且电阻率均匀的p型sic单晶衬底。
22.2、本发明相对双感应加热区掺杂法和小坩埚密封缓释法简便易行、al源利用率高，所得p型sic的质量和电阻率均匀性较高。
23.3、本发明的方法适用范围广，不仅能适用于al源掺杂，还适用于其它p型掺杂元素(b、ga等)对sic晶体的均匀掺杂，本发明优选的是al源掺杂。
附图说明
24.图1为本发明实施例1得到的含al生长源的sic晶粒的sem图；
25.图2为本发明实施例1得到含al生长源的sic晶粒的eds图；
26.图3为本发明实施例1得到的含al生长源的sic晶粒的al元素xps测试图；
27.图4为本发明实施例1制得的高掺杂均匀性p型碳化硅晶锭实物图；
28.图5为本发明实施例1的p型sic单晶衬底的电阻率分布图，具有低电阻率偏差；
29.图6为本发明实施例3合成的含al生长源的sic多晶块实物图；
30.图7为本发明实施例1制得的高均匀p型碳化硅晶体纵切面图；
31.图8为对比例1的晶体的实物图。
具体实施方式
32.下面通过具体实施例对本发明的方法进行说明，但本发明并不局限于此。
33.实施例1：
34.一种高掺杂均匀性p型sic的生长方法，步骤如下：
35.1)将c粉和si粉按摩尔比1：1的比例称量1500g，将2g的al4c3与si粉和c粉进行均匀混合2h，得到混合物；
36.2)将混合物放置在石墨坩埚里面，升温至1600℃，在600mbar下保温4h，合成温度不易过高防止al4c3过早发生气化，保证al元素能够融入到sic晶粒，得到含al生长源的sic晶粒(al-si-c)；
37.制得的含al生长源的sic晶粒(al-si-c)sem图、eds图见图1、图2所示，含al生长源的sic晶粒的al元素xps图如图3所示，al元素xps测试表明晶粒中形成al-c键。
38.3)然后将合成好的含al生长源的sic晶粒(al-si-c)取出。
39.4)将含al生长源的sic晶粒(al-si-c)装入生长坩埚，无需再在粉料中掺入al掺杂剂；
40.5)将装好的坩埚放到pvt单晶炉生长腔，进行p型晶体生长；获得晶型单一且电阻率均匀的高掺杂均匀性p型sic单晶；整块p型sic单晶的晶锭实物图如图4所示。
41.p型sic单晶的电阻率分布图见图5所示，通过图5可以看出，电阻率偏差小，电阻率均匀性高。
42.1.3mm厚p型sic单晶的纵切片图如图7所示，图7整体显蓝色(未示出)，通过图7可以看出，al均匀掺杂在晶体中。
43.实施例2：
44.一种高掺杂均匀性p型sic的生长方法，步骤如下：
45.1)将c粉和si粉按摩尔比1.4：1的比例称量3000g，将60g的al2o3与si粉和c粉进行均匀混合1h，得到混合物；
46.2)将混合物放置在石墨坩埚里面，升温至2000℃，在900mbar下保温8h，合成温度不宜过高防止al2o3过早发生气化，保证al元素能够融入到sic晶粒，得到含al生长源的sic晶粒(al-si-c)；
47.3)然后将合成好的含al生长源的sic晶粒(al-si-c)取出。
48.4)将含al生长源的sic晶粒(al-si-c)装入生长坩埚，无需再在粉料中掺入al掺杂剂；
49.5)将装好的坩埚放到pvt单晶炉生长腔，进行p型晶体生长；获得晶型单一的高掺杂均匀性p型sic单晶。
50.实施例3：
51.一种高掺杂均匀性p型sic的生长方法，步骤如下：
52.1)将c粉和si粉按摩尔比1：1的比例称量1500g，将3g的al4c3与si粉和c粉进行均匀混合3h，得到混合物；
53.2)将混合物放置在石墨坩埚里面，升温至2100℃，在1mbar下保温60h，合成温度不宜防止al4c3过早发生气化，保证al元素能够融入到sic晶粒，得到含al生长源的sic多晶块(al-si-c)；含al生长源的sic多晶块如图6所示。
54.3)然后将合成好的含al生长源的sic多晶块(al-si-c)取出。
55.4)将含al生长源的sic多晶块(al-si-c)装入生长坩埚，无需再在粉料中掺入al掺杂剂；
56.5)将装好的坩埚放到pvt单晶炉生长腔，进行p型晶体生长；获得晶型单一的高掺杂均匀性p型sic单晶。
57.实施例4：
58.一种高掺杂均匀性p型sic的生长方法，步骤如下：
59.1)将c粉和si粉按摩尔比1.4：1的比例称量5000g，将90g的al2o3与si粉和c粉进行均匀混合3h，得到混合物；
60.2)将混合物放置在石墨坩埚里面，升温至2400℃，在20mbar下保温100h，合成温度不宜过高防止al2o3过早发生气化，保证al元素能够融入到sic晶粒，得到含al生长源的sic多晶块(al-si-c)；
61.3)然后将合成好的含al生长源的sic多晶块(al-si-c)取出。
62.4)将含al生长源的sic多晶块(al-si-c)装入生长坩埚，无需再在粉料中掺入al4c4；
63.5)将装好的坩埚放到pvt单晶炉生长腔，进行p型晶体生长；获得晶型单一的高掺杂均匀性p型sic单晶。
64.对比例1：
65.一种p型sic的生长方法，步骤如下：
66.1)将需要掺杂的al4c3装入到石墨小坩埚中；
67.2)装好的含al石墨小坩埚放入到生长坩埚的sic粉末生长源中，放入籽晶。
68.3)将生长坩埚装入pvt单晶炉生长腔，生长p型sic。
69.得到的p型sic如图8所示，生长的p型sic单晶初期掺杂浓度较高，后期掺杂浓度低，掺杂不均匀。并且初期由于al的集中释放，生长初期掺入的al元素过多，晶体生长初期结晶质量变差，导致多型和多晶的出现。