專利名稱：半絕緣碳化硅單晶材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可以應(yīng)用于高頻器件的半導體材料，尤其涉及一種半絕緣碳化硅單晶材料。
背景技術(shù)：
以碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)為代表的寬禁帶半導體材料，是繼硅(Si)、砷化鎵 (GaAs)之后的第三代半導體。與Si和GaAs傳統(tǒng)半導體材料相比，SiC具有高熱導率、高擊穿場強、高飽和電子漂移速率和高鍵合能等優(yōu)異性能，在高溫、高頻、高功率及抗輻射器件方面擁有巨大的應(yīng)用前景。半絕緣碳化硅制備的晶體管能夠在高達IOGHz頻率下產(chǎn)生超過 GaAs微波部件五倍功率密度的功率。熟悉微波器件技術(shù)的人認識到，在使用高電阻率和高結(jié)晶質(zhì)量半絕緣的碳化硅襯底的情況下才能制備出高性能的微波器件，進而應(yīng)用于如蜂窩電話的通信器件以及強大的機載雷達、艦載雷達等應(yīng)用領(lǐng)域。目前主要通過在SiC帶隙內(nèi)形成深能級，通過深能級補償非故意摻雜形成的淺施主和淺受主濃度之差值的方式來提高碳化硅晶體的電阻率。通常形成深能級的方法主要有以下兩種(1)形成本征點缺陷；(2)加入過渡族金屬摻雜劑，特別是釩。其中，方法(1)能夠通過在晶體中引入點缺陷提高電阻率，但在熱退火后點缺陷的濃度通常會減少，從而導致電阻率下降，因此該方法不能保證碳化硅單晶電阻率的一致性和適用于較大規(guī)模的碳化硅晶體生產(chǎn)需求。而方法O)中，對于加入過渡族金屬摻雜劑的濃度范圍通常過高，例如， 題為“低摻雜的半絕緣SiC晶體和方法”的中國專利申請(公開號CN 1985029A)中要求過渡族元素摻雜劑的濃度小于2X 1016cm_3，又如美國專利5，611，955中要求過渡族摻雜劑如釩在SiC晶體中的質(zhì)量百分比范圍在300到IOOOppm(約IX IO18cm-3到4X IO1W3)。由此所帶來的缺陷是晶體質(zhì)量降低。例如，當摻雜劑釩在SiC晶體中的濃度超出了其固溶度極限值(約5X IO17CnT3)時，就在晶體中形成釩的析出物以及產(chǎn)生微管等晶體缺陷，從而影響晶體的結(jié)晶質(zhì)量，不利于用來制備高性能的微波器件。但另一方面，如果過渡族金屬摻雜劑在SiC晶體中濃度過低，也難以實現(xiàn)SiC晶體半絕緣性能的穩(wěn)定性和可重復性。因為這意味著需要對非故意摻雜(“非故意摻雜”指的是在SiC晶體生長過程中，SiC原料中含有的N、B等雜質(zhì)，使用的石墨坩堝和保溫材料中含有的B、A1等雜質(zhì)以及環(huán)境中殘留的N雜質(zhì)，這些非故意摻雜的雜質(zhì)都會降低SiC晶體的電阻率)的雜質(zhì)含量的控制提出苛刻的要求，所以這也不利于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，通過控制摻雜劑在晶體中的濃度范圍，提供一種高質(zhì)量的半絕緣碳化硅晶體。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的根據(jù)本發(fā)明，提供一種半絕緣碳化硅單晶材料，包括至少一種深能級摻雜劑，所述深能級摻雜劑的電子能級距離碳化硅帶隙邊緣大于或等于0. 3eV ；和淺能級雜質(zhì)，所述淺能級雜質(zhì)的電子能級距離碳化硅帶隙邊緣小于0. 3eV ；其中，所述深能級摻雜劑的濃度大于或等于所述淺能級雜質(zhì)的濃度，同時小于所述深能級摻雜劑在所述碳化硅單晶中的固溶度極限，所述碳化硅單晶材料在室溫下具有大于1Χ105Ω · cm的電阻率。在上述半絕緣碳化硅單晶材料中，所述碳化硅單晶的晶型可以是2H，4H，6H，3C或 15R中的一種。在上述半絕緣碳化硅單晶材料中，所述淺能級雜質(zhì)包括淺施主雜質(zhì)和淺受主雜質(zhì)，并且所述深能級摻雜劑的濃度不小于所述淺施主和受主雜質(zhì)濃度之間的差值，以補償凈的淺能級雜質(zhì)，從而提高碳化硅單晶或單晶片電阻率。在一個實施例中，所述淺施主雜質(zhì)為氮，所述淺受主雜質(zhì)為硼和鋁。在上述半絕緣碳化硅單晶材料中，所述深能級摻雜劑包括元素周期表中IB，IIB, IIIB, IVB, VB, VIB, VIIB, VIIIB族的至少一種元素。在一個實施例中，所述深能級摻雜劑的濃度在5 X 1016cm_3 5 X 1017cm_3范圍內(nèi)。上述半絕緣碳化硅單晶材料在1200°C熱退火后電阻率仍保持大于1 X IO5 Ω · cm。優(yōu)選地，上述半絕緣碳化硅單晶材料具有大于IX 106Ω ^cm的電阻率，且在 1200°C熱退火后電阻率仍保持大于IX IO6 Ω · cm。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于


以下參照附圖對本發(fā)明實施例作進一步說明，其中圖1是本發(fā)明實施例1的晶片拉曼譜圖；圖2是本發(fā)明實施例2的晶片拉曼譜圖；圖3是本發(fā)明實施例3的晶片拉曼譜圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例，進一步描述本發(fā)明的內(nèi)容及優(yōu)點。需要說明的是，在本發(fā)明的以下實施例中，所有晶體均采用常用的SiC晶體制備方法——物理氣相傳輸法(Physical Vapor Transport Method)，有關(guān)該方法及該方法所使用的碳化硅晶體生長裝置的具體信息披露在申請人2006年3月四日授權(quán)公告的題為“一種碳化硅晶體生長裝置”的中國發(fā)明專利ZL 200310113521. X以及2006年6月 28日授權(quán)公告的題為“物理氣相傳輸生長碳化硅單晶的方法及其裝置”的中國發(fā)明專利 ZL200310113523.9中，在此通過引用將它們與本發(fā)明不矛盾部分的內(nèi)容包括在本發(fā)明當中。然而對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該理解，通過例如高溫化學氣相沉積法(HTCVD)、液相法的其他方法，同樣能夠獲得本發(fā)明的碳化硅單晶，本發(fā)明的下述方法僅為優(yōu)選。實施例1 :6H晶型半絕緣碳化硅單晶的生長生長過程在IOOOg碳化硅原材料(純度99. 999% )中加入500mg的碳化釩粉末(純度99. 999%)，用球磨機混合均勻。將混合均勻的原材料裝入高純的石墨坩堝中， 蓋上粘接了籽晶的坩堝蓋，放入晶體生長爐中生長。生長爐中充入氬氣，壓力控制在小于20001^。籽晶溫度保持在2100-2200°C之間，原料溫度保持在2300-2400°C之間，原料與籽晶之間的溫度梯度保持在130-200°C之間。生長后的晶體沿垂直于<0001〉的方向切片，分別選取生長前期、生長中期和生長后期的晶片各一片，經(jīng)過光學拋光后，用非接觸式電阻測試儀測量晶片的電阻率，結(jié)果都獲得大于1Ε5Ω · cm的電阻率。選取其中一個晶片進行拉曼測試，得到的拉曼譜圖如圖1所示，表明其晶型為Ml晶型。用二次離子質(zhì)譜或輝光放電質(zhì)譜檢測晶片中雜質(zhì)的含量，結(jié)果見表1。表1、碳化硅晶片中的雜質(zhì)含量(單位cm_3)
雜質(zhì)元素NBAlV元素含量1. 8E+172. 5E+172. OE+162. 9E+17從表1中可以看出，硼和鋁的濃度之和大于氮的濃度，因此釩以施主形式起補償作用，且釩的濃度大于P型淺施主能級(硼和鋁)與η型淺受主能級(氮)的濃度之差，同時該濃度小于釩在碳化硅單晶中的固溶度極限(5Χ IO17CnT3)。通過對碳化硅單晶的形貌觀察發(fā)現(xiàn)碳化硅單晶結(jié)晶質(zhì)量良好，微管密度小，無其它可見宏觀缺陷。對該晶片在5萬1 的高純氬氣保護氣氛中1200°C熱退火處理，處理后測得晶片的室溫電阻率保持在大于1Ε5Ω · cm范圍內(nèi)，由此可見退火處理對本發(fā)明碳化硅晶片的電阻率幾乎沒有影響。實施例2 :4H晶型半絕緣碳化硅單晶的生長 生長過程在IOOOg碳化硅原材料中加.450mg的碳化釩粉末，用球磨機混合均勻。 將混合均勻的原材料裝入高純的石墨坩堝中，蓋上粘接了籽晶的坩堝蓋，放入晶體生長爐中生長。生長爐中充入氬氣，壓力控制在小于20001^。籽晶溫度保持在2050-2150°C之間， 原料溫度保持在2250-2350°C之間，原料與籽晶之間的溫度梯度保持在130_200°C之間。生長后的晶體沿垂直于<0001〉的方向切片，分別選取生長前期、生長中期和生長后期的晶片各一片，經(jīng)過光學拋光后，用非接觸式電阻測試儀測量晶片的電阻率，結(jié)果都獲得大于1Ε5Ω · cm的電阻率。選取其中一個晶片進行拉曼測試，得到的拉曼譜圖如圖1所示，表明其晶型為4H晶型。用二次離子質(zhì)譜或輝光放電質(zhì)譜檢測晶片中雜質(zhì)的含量，結(jié)果見表1。表2、碳化硅晶片的雜質(zhì)含量(單位cm_3)
權(quán)利要求
1.一種半絕緣碳化硅單晶材料，包括至少一種深能級摻雜劑，所述深能級摻雜劑的電子能級距離碳化硅帶隙邊緣大于或等于0. 3eV ；和淺能級雜質(zhì)，所述淺能級雜質(zhì)的電子能級距離碳化硅帶隙邊緣小于0. 3eV ；其中，所述深能級摻雜劑的濃度大于或等于所述淺能級雜質(zhì)的濃度，同時小于所述深能級摻雜劑在所述碳化硅單晶中的固溶度極限，所述碳化硅單晶材料在室溫下具有大于 IX IO5 Ω . cm的電阻率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半絕緣碳化硅單晶材料，所述碳化硅單晶的晶型是2H，4H， 6H，3C或15R中的一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半絕緣碳化硅單晶材料，所述淺能級雜質(zhì)包括淺施主雜質(zhì)和淺受主雜質(zhì)，并且所述深能級摻雜劑的濃度不小于所述淺施主和淺受主雜質(zhì)濃度之間的差值。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的半絕緣碳化硅單晶材料，所述淺施主雜質(zhì)為氮，所述淺受主雜質(zhì)為硼和鋁。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半絕緣碳化硅單晶材料，所述深能級摻雜劑包括元素周期表中 IB, IIB, IIIB, IVB, VB, VIB, VIIB, VIIIB 族的至少一種元素。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的半絕緣碳化硅單晶材料，所述深能級摻雜劑為釩。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的半絕緣碳化硅單晶材料，所述深能級摻雜劑的濃度在 5 X IO16CnT3 5 X IO17CnT3 范圍內(nèi)。
8.據(jù)權(quán)利要求1所述的半絕緣碳化硅單晶材料，所述半絕緣碳化硅單晶材料在1200°C 熱退火后電阻率仍保持大于IX IO5 Ω ·_。
9.據(jù)權(quán)利要求1所述的半絕緣碳化硅單晶材料，所述半絕緣碳化硅單晶材料具有大于 IX IO6 Ω . cm的電阻率。
10.據(jù)權(quán)利要求1所述的半絕緣碳化硅單晶材料，所述半絕緣碳化硅單晶材料在 1200°C熱退火后電阻率仍保持大于IX IO6 Ω · cm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種半絕緣碳化硅單晶材料。該半絕緣碳化硅單晶或單晶片具有室溫下大于1E5Ω·cm的電阻率，熱退火后電阻率保持大于1E5Ω·cm。半絕緣碳化硅單晶或單晶片中至少含有一種補償摻雜劑，該摻雜劑的電子能級距離碳化硅帶隙邊緣足夠遠以免產(chǎn)生導電；該補償摻雜劑的濃度不小于晶體中淺施主能級和淺受主能級的濃度之間的差值，要求大于5×1016cm-3，使固定在深能級的摻雜劑濃度足夠淺能級雜質(zhì)；該摻雜劑的濃度小于5*1017cm-3，以防止由于摻雜劑析出而導致的碳化硅結(jié)構(gòu)缺陷；碳化硅單晶或單晶片的電阻率在1200℃熱退火后電阻率保持大于1E5Ω·cm。
文檔編號C30B29/36GK102560672SQ20101061740
公開日2012年7月11日 申請日期2010年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月31日
發(fā)明者劉春俊, 彭同華, 李龍遠, 王文軍, 陳小龍 申請人:中國科學院物理研究所