发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种电阻率均匀的半绝缘型碳化硅晶片及其制备方法,该晶片电阻率的均匀性较好。
本发明提供了一种电阻率均匀的半绝缘型碳化硅晶片,所述半绝缘型碳化硅晶片的整体范围内,电阻率的相对标准偏差小于70%,电阻率的最小值大于1×106Ω·cm。
优选地,所述半绝缘型碳化硅晶片的直径≥100mm。
优选地,所述电阻率的相对标准偏差小于50%。
优选地,所述电阻率的相对标准偏差小于30%。
优选地,所述电阻率的最小值大于1×107Ω·cm。
优选地,所述电阻率的最小值大于1×109Ω·cm。
本发明提供了一种上述技术方案所述半绝缘型碳化硅晶片的制备方法,包括以下步骤:
将掺杂剂均匀地混合在碳粉和硅粉中,烧结合成,得到碳化硅原料;
将装有碳化硅原料和零偏角度的籽晶的坩埚放于生长室中,在一定温度、压力和坩埚移动条件下,使所述碳化硅原料升华并在籽晶上结晶,冷却,后处理得到半绝缘型碳化硅晶片;
所述一定温度、压力和坩埚移动条件包括:
(1)在压力20~80kPa下,将温度升至2000~2500℃,并维持1~10h;
(2)将压力降至100~5000Pa,并维持1~5h;
(3)将压力维持在100~5000Pa,坩埚提拉速度为0.5~5mm/h,提升 0~50mm,并维持40~200h;
(4)将压力升至20~80kPa,进行冷却。
优选地,所述掺杂剂选自钒或硼;所述掺杂剂、硅粉和碳粉的摩尔比为 0.0001~0.0005:1:1。
优选地,所述碳化硅原料的粒度为4~200目。
优选地,所述半绝缘型碳化硅晶片的高度的最大值和最小值的差值小于 5mm。
本发明提供了一种电阻率均匀的半绝缘型碳化硅晶片,所述半绝缘型碳化硅晶片的整体范围内,电阻率的相对标准偏差小于70%,电阻率的最小值大于1×106Ω·cm。本发明还提供了一种上述技术方案所述半绝缘型碳化硅晶片的制备方法,通过采用零度籽晶生长出的晶体和同时控制晶体生长径向温度梯度保证晶体生长的平坦程度,可避免切割、加工得到的晶片的中心和边缘不同位置源自不同生长时刻,尽量保证晶片中心和边缘生长时刻非常接近,保证晶片整体掺杂的均匀性;掺杂剂均匀地合成到SiC原料中,也保证晶体内部电阻率的均匀性。实验结果表明:半绝缘型碳化硅晶片的电阻率的相对标准偏差小于70%,晶片电阻率的最小值大于1×106Ω·cm。
具体实施方式
本发明提供了一种电阻率均匀的半绝缘型碳化硅晶片,所述半绝缘型碳化硅晶片的整体范围内,电阻率的相对标准偏差小于70%,电阻率的最小值大于1×106Ω·cm。
在本发明中,所述半绝缘型碳化硅晶片的直径优选≥100mm,更优选为 4~8英寸;具体为4英寸、6英寸或8英寸。具体实施例中,半绝缘型碳化硅晶片的直径为6英寸。
在本发明中,所述电阻率的相对标准偏差优选小于50%,更优选小于 30%。
在本发明中,所述电阻率的最小值优选大于1×107Ω·cm,所述电阻率的最小值更优选大于1×109Ω·cm。
本发明提供了一种上述技术方案所述半绝缘型碳化硅晶片的制备方法,包括以下步骤:
将掺杂剂均匀地混合在碳粉和硅粉中,烧结合成,得到碳化硅原料;
将装有碳化硅原料和零偏角度的籽晶的坩埚放于生长室中,在一定温度、压力和坩埚移动条件下,使所述碳化硅原料升华并在籽晶上结晶,冷却,后处理得到半绝缘型碳化硅晶片;
所述一定温度、压力和坩埚移动条件包括:
(1)在压力20~80kPa下,将温度升至2000~2500℃,并维持1~10h;
(2)将压力降至100~5000Pa,并维持1~5h;
(3)将压力维持在100~5000Pa,坩埚提拉速度为0.5~5mm/h,提升 0~50mm,并维持40~200h;
(4)将压力升至20~80kPa,进行冷却。
本发明将掺杂剂均匀地混合在碳粉和硅粉中,烧结合成,得到碳化硅原料。本发明将掺杂剂均匀地混合在硅粉和碳粉中,烧结合成到SiC原料中,提高生产过程中掺杂剂的均匀性。传统方法是直接将固体掺杂剂混合到SiC 原料中,一般由于固体掺杂剂在SiC生长高温下蒸气压比较高,很容易逐渐耗尽,导致生长初期溶度高于后期溶度,而本发明提供的方法将掺杂剂已经混入SiC晶格中或者以包裹体的形式存在于SiC原料内部,从而固体掺杂剂在生长初期和后期的浓度差相对较小,从而解决了掺杂剂直接与原材料混合带来的不均匀的问题,同时能够保证掺杂剂的充分使用,进而保证晶体内部电阻率的均匀性。
在本发明中,所述掺杂剂选自钒或硼;所述掺杂剂、硅粉和碳粉的摩尔比为0.0001~0.0005:1:1。所述烧结合成的温度优选为2100~2200℃;烧结合成的压力优选为5k~15kPa。具体实施例中,所述烧结合成的温度为2200℃或 2100℃,压力为10kPa或15kPa。烧结合成后优选将产物进行破碎和筛分,得到碳化硅原料;所述碳化硅原料的粒度优选为4~200目,更优选为10~100目,最优选为20~40目。
得到碳化硅原料后,本发明将装有碳化硅原料和零偏角度的籽晶的坩埚放于生长室中,在一定温度、压力和坩埚移动条件下,使所述碳化硅原料升华并在籽晶上结晶,冷却,后处理得到半绝缘型碳化硅晶片。
在本发明中,所述零偏角度的籽晶是指籽晶表面取向为{0001},也即是表面法向矢量与晶体的<0001>轴夹角为0度,也可简称零度籽晶或零度晶片。具体实施例中,零偏角度的籽晶为0度6英寸的4H-SiC籽晶。
在本发明中,所述一定温度、压力和坩埚移动条件包括:
(1)在压力20~80kPa下,将温度升至2000~2500℃,并维持1~10h;
(2)将压力降至100~5000Pa,并维持1~5h;
(3)将压力维持在100~5000Pa,坩埚提拉速度为0.5~5mm/h,提升 0~50mm,并维持40~200h;
(4)将压力升至20~80kPa,进行冷却。
本发明提供的方法通过采用零度籽晶生长出的晶体和同时控制晶体生长径向温度梯度保证晶体生长的平坦程度,可避免切割、加工得到的晶片的中心和边缘不同位置源自不同生长时刻,尽量保证晶片中心和边缘生长时刻非常接近,保证晶片整体掺杂的均匀性。
本发明通过控制生长晶体的径向温度梯度,减小晶体的径向温度梯度,保证生长后获得晶体的界面较为平坦。在本发明中,所述半绝缘型碳化硅晶片的高度的最大值和最小值的差值优选小于5mm,更优选小于3mm,最优选小于1mm。
本发明将半绝缘型碳化硅晶体优选经切、磨、抛等后处理,得到厚度为 300~800μm的零度半绝缘型碳化硅单晶片。
本发明提供的方法解决了掺杂剂直接与原材料混合带来的不均匀的问题,同时能够保证掺杂剂的充分使用。(2)采用沿轴取向的籽晶生长出的晶体,可取消晶体转角度加工,同时控制晶体表面的平坦程度,可避免晶片不同位置源自不同生长时刻,保证晶片整体掺杂的均匀性。
上述技术方案所述半绝缘型碳化硅晶体的电阻率测试采用非接触测量方法,测试设备为德国Semimap公司的。1个晶片至少测试256点。电阻率的相对标准偏差根据256点测试数据计算得到,通常相对标准偏差也直接由该设备计算显示。
为了进一步说明本发明,下面结合实施例对本发明提供的一种电阻率均匀的半绝缘型碳化硅晶片及其制备方法进行详细地描述,但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
将掺杂剂钒与高纯碳粉和硅粉(纯度大99.99%),按摩尔比0.0002:1:1均匀混合,混合后原料颜色统一。将装有混合好的原料的坩埚放在原材料合成炉中,在2200℃和10kPa下合成,经过破碎与筛分,得到粒径在20~40目之间的碳化硅原材料。
取0度6寸的4H-SiC籽晶一片,以C面作为晶体生长面,将其粘结于石墨坩埚盖上。在坩埚底部装满足够的SiC原料,再将粘有籽晶的坩埚盖置于坩埚上部,装配好后放入单晶生长炉中。依次进行以下过程:(1)以氩气向生长炉充气至压力达到50kPa,保持该压力不变,采用中频感应加热进行升温,设定原料处温度在2200~2300℃,温度达到后保温3h,此后保持炉内温度不变; (2)通过生长炉控压***,将压力降至生长压力,保持2h;(3)将压力继续维持在生长压力,维持200h;(5)将压力升至30kPa,进行降温冷却,获得半绝缘型6英寸的碳化硅单晶体,其高度最大值与最小值的差值为0.9mm。晶体经过粗加工,切磨抛等过程后,得到沿轴取向的碳化硅单晶片。
图1为本发明实施例1制备的6英寸半绝缘型0°碳化硅晶片的电阻率测试图。从图1可以看出,电阻率的相对标准偏差为29%,且最小值为 1.1×107Ω·cm。
实施例2
将掺杂剂钒与高纯碳粉和硅粉(纯度大99.99%),按摩尔比0.0005:1:1均匀混合,混合后原料颜色统一。将装有混合好的原料的坩埚放在原材料合成炉中,在2100℃和15kPa下合成,经过破碎与筛分,得到粒径在10~100目之间的碳化硅原料。
采用0度的6英寸4H-SiC籽晶一片,以C面作为晶体生长面,将其粘结于石墨坩埚盖上。在坩埚底部装满足够的SiC粉末原料,再将粘有籽晶的坩埚盖置于坩埚上部,装配好后放入单晶生长炉中。通过调控热场进行晶体生长,生长温度压力同实施例1获得6英寸半绝缘型0°碳化硅单晶体,其高度最大值与最小值的差值为2.1mm。晶体经过粗加工,切磨抛等过程后,得到沿轴取向的碳化硅单晶片。
图2为本发明实施例2制备的6英寸半绝缘型碳化硅晶片的电阻率测试图。从图2可以看出,电阻率的相对标准偏差为59%,且最小值为6.3×106Ω·cm。
对比例1
将掺杂剂钒与合成好粒径在10~100目之间的碳化硅原材料在混料机中,转速为800转/min,混合4小时,得到混合好的碳化硅原料。
采用偏轴取向4°的4H-SiC籽晶一片,以C面作为晶体生长面,将其粘结于石墨坩埚盖上。在坩埚底部装满足够的SiC粉末原料,再将粘有籽晶的坩埚盖置于坩埚上部,装配好后放入单晶生长炉中。生长温度和压力同实施例1,获得半绝缘型6英寸4°的碳化硅单晶体,其高度最大值与最小值的差值为 2.2mm。晶体经过转角度,粗加工,切磨抛等过程后,得到6英寸半绝缘4°碳化硅单晶片。
图3为本发明对比例1制备的6英寸半绝缘型碳化硅晶片的电阻率测试图。从图3可以看出,电阻率的相对标准偏差为265%,且最小值小于105Ω·cm (电阻率小于测试设备下限1*105Ω·cm)。
由以上实施例可知,本发明提供了一种电阻率均匀的半绝缘型碳化硅晶片,所述半绝缘型碳化硅晶片的整体范围内,电阻率的相对标准偏差小于 70%,电阻率的最小值大于1×106Ω·cm。本发明还提供了一种上述技术方案所述半绝缘型碳化硅晶片的制备方法,通过采用零度籽晶生长出的晶体和同时控制晶体生长径向温度梯度保证晶体生长的平坦程度,可避免切割、加工得到的晶片的中心和边缘不同位置源自不同生长时刻,尽量保证晶片中心和边缘生长时刻非常接近,保证晶片整体掺杂的均匀性;掺杂剂均匀地合成到SiC原料中,也保证晶体内部电阻率的均匀性。实验结果表明:半绝缘型碳化硅晶片的电阻率的相对标准偏差小于70%,晶片电阻率的最小值大于1×106Ω·cm。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。