无微管缺陷六英寸SiC单晶的制备

张福生，杨 昆，刘新辉，路亚娟，牛晓龙，尚远航，李婷婷

(河北同光晶体有限公司，河北保定 071051)

摘要：SiC单晶衬底中的微管缺陷对SiC基器件是一种致命的缺陷，会严重影响SiC功率器件的成品率。基于物理气相传输(PVT)法，通过改进生长设计装配制备了绝对零微管缺陷6 in的n型4H-SiC单晶。从结晶学和动力学原理对改进生长设计装配消除微管的机理进行分析，阐明了单晶生长过程中微管分解和闭合的机制。采用的优化生长设计方案不仅有利于提高SiC单晶生长的稳定性，更可以提高SiC单晶的结晶质量，达到快速降低微管缺陷目的。所制备的无微管缺陷、大尺寸6 in n型4H-SiC单晶更加适合制作高压以及特高压功率器件。

关键词：微管缺陷；碳化硅单晶；微管闭合

中图分类号：TB34 文献标志码：A 文章编号：0454–5648(2021)04–0736–07

网络出版时间：2021–03–16

前言：

碳化硅(SiC)单晶是碳与硅原子以1:1的化学计量比组成的宽禁带半导体材料。通过共价键结合的晶体结构使得SiC具有许多独特的物化性能。作为新兴半导体材料，SiC展现出来了高临界电场强度、高饱和载流子迁移速率、高硬度、高热导率、高抗辐射、耐高温、耐酸碱腐蚀等众多优异性能。这些独特的性能使得SiC单晶材料能够广泛地应用于大功率、高频、高温以及高辐射等严酷条件下的电力电子器件[1–2]。选用SiC单晶材料制备的肖特基势垒二极管(SBD)和金属场效应晶体管(MOSFET)已经应用在新能源电动汽车、机车牵引、大功率充电桩和智能电网等领域，并且展现出了优于第一代半导体材料硅基器件的良好性能[3–5]。另外，采用SiC基外延的氮化镓制作的高电子迁移率晶体管(HEMT)已经成功应用于大功率微波通讯和新兴5G通讯领域，相对于第二代半导体砷化镓基器件具有更高的频率和更大的带宽比性能[6–7]。

但是，SiC单晶衬底中的各种缺陷对电子器件的可用性、可靠性以及稳定性等性能指标有着极大的影响。如已报道的SiC单晶中的微管缺陷会增加漏电流和降低击穿电压，直接造成器件击穿而损坏[8–9]。经过近30年来，对SiC单晶生长工艺的改进和生长装配的改良，已将三维缺陷和二维缺陷控制在超低密度的水准，并且已有绝对无微管缺陷的2~4 in 4H-SiC单晶材料的报道[10–11]。但对于SiC基功率器件的发展，特别是在高压和特高压方面的应用，单个器件的需求尺寸面积更大。若在制备器件的SiC衬底内部出现一个致命微管缺陷，将导致整个器件失效，这将大大地降低制作器件的成品率。这将对SiC单晶衬底提出了更高的要求，不仅要求更大的晶圆衬底尺寸而且要求更高的质量品质。因此，对于大尺寸SiC单晶中微管缺陷降低和消除方法的研究，显然具有重要的研究价值。

本工作将阐述如何通过优化生长工艺装配，以规避开微管产生和增殖的诱发因素，并创造出有利于微管闭合的生长条件，从而快速制备出绝对无微管缺陷的大尺寸6 in4H-SiC单晶。

结论：

通过基于PVT生长方法的改进生长设计方案，成功制备出来了无微管缺陷6 in n型4H-SiC单晶。生长的SiC单晶为单一的4H晶型。优化工艺后，有利于生长台阶的有序推进，并提高SiC单晶晶型的稳定性。制备的SiC晶片中无任何的应力斑出现，表明晶片中无宏观缺陷。6 inSiC单晶的晶格基平面弯曲较小并且结晶质量较高，其(004)衍射指数的平均半峰宽低至19弧秒。整个6 in SiC单晶片的电阻率分布均匀。研究了微管的快速消除机制。通过优化生长设计装配，以快速推进的台阶流模式增强了微管的快速分解和闭合。并从结晶学和动力学上进行解释。阐明了SiC单晶中短微管的产生和消失机理。制备出来的无微管大尺寸6 inn型4H-SiC单晶更加适合制作高压以及特高压功率器件。

文中部分图表：