專利名稱：用于生長(zhǎng)碳化硅單晶的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過(guò)液相沉積生長(zhǎng)碳化硅單晶的新方法。更具體而言，本發(fā)明涉及利 用新溶液、通過(guò)液相沉積以提高的生長(zhǎng)速率生長(zhǎng)碳化硅單晶的方法。
背景技術(shù)：
碳化硅(SiC)單晶具有優(yōu)異的物理性質(zhì)，例如非常高的熱和化學(xué)穩(wěn)定性、高機(jī)械 強(qiáng)度、高輻射硬度、比Si高的擊穿電壓、和高導(dǎo)熱性。通過(guò)向碳化硅單晶添加合適選擇的雜 質(zhì)，其容易地提供P導(dǎo)電型或Π導(dǎo)電型半導(dǎo)體，其具有相對(duì)大的禁帶寬度(在6H-Sic單晶 的情況下為約3. OeV，在4H-SiC單晶的情況下為約3. 3eV)。因此，使用碳化硅單晶的半導(dǎo) 體器件可以在高溫和高頻操作條件下使用，并且對(duì)高電壓和苛刻的環(huán)境具有高的耐性，但 是這些特性不能通過(guò)常規(guī)半導(dǎo)體材料如硅(Si)和砷化鎵(GaAs)來(lái)滿意地獲得。因此，日 益預(yù)期碳化硅成為下一代半導(dǎo)體材料。生長(zhǎng)碳化硅單晶的典型方法包括例如氣相沉積或氣相外延(VPE)、Acheson法、和 液相沉積或溶液法。氣相沉積或VPE法的典型實(shí)例包括升華法和化學(xué)氣相沉積(CVD)。在 升華法中，在所得晶體中易于產(chǎn)生多種類型的缺陷，并且晶體傾向于為多晶。CVD法只使 用氣體源作為進(jìn)料物料，因此通過(guò)該方法形成的晶體為薄膜的形式。因此，難以通過(guò)CVD 法產(chǎn)生大塊單晶。Acheson法使用硅石和焦炭作為源材料，所述源材料在電爐中加熱；因 此，由于在原料中存在雜質(zhì)等，所以所得晶體難以或不可能獲得高純度。在使用液相沉積 的方法的一個(gè)實(shí)例中，將含硅的合金溶入到石墨坩堝中的熔體中，并且將碳從石墨坩堝溶 入到熔體中，使得源于溶液的碳化硅晶體層在置于溶液的低溫部分中的籽晶襯底上沉積和 生長(zhǎng)。盡管通過(guò)液相沉積以低的速率生長(zhǎng)碳化硅單晶，換言之，碳化硅單晶的液相生產(chǎn)具 有低的生長(zhǎng)速率，但是它是一種有利的用于生產(chǎn)大塊單晶的方法。因此，近年來(lái)，已經(jīng)進(jìn)行 了多項(xiàng)研究(見(jiàn)日本專利申請(qǐng)公開(kāi)2000-264790 (JP-A-2000-264790)、日本專利申請(qǐng)公開(kāi) 2004-2173 (JP-A-2004-2173)、日本專利申請(qǐng)公開(kāi) 2006-143555 (JP-A-2006-143555)和日 本專利申請(qǐng)公開(kāi)2007-76986 (JP-A-2007-76986))，以試圖提高通過(guò)液相沉積生長(zhǎng)碳化硅單 晶的生長(zhǎng)速率，所述液相沉積不存在如在氣相沉積和Acheson法中遇到的上述問(wèn)題。在如上所述的JP-A-2000-264790中記載的碳化硅單晶生成方法中，將含有選自 過(guò)渡金屬的至少一種元素、Si和C(碳)的源材料溶入到熔體中(即，C(碳)溶入到作為包 含選自過(guò)渡金屬的至少一種元素和Si的溶劑的熔體中)，使單晶形式的碳化硅籽晶與其接 觸，并且將溶液冷卻至溶液溫度低于溶液的液相線的條件，使得碳化硅單晶在籽晶上沉積 和生長(zhǎng)。雖然在該公開(kāi)中以舉例的方式列出的過(guò)渡金屬是Fe、Co、Ni (其屬于第VIII族)、 Ti、Zr、Hf (其屬于第IVb族)、V、Nb、Ta(其屬于第Vb族)和Cr、Mo、W(其屬于第VIb族)， 但是僅具體公開(kāi)了包含Mo、Cr或Co作為過(guò)渡金屬的物料的組合物。在該公開(kāi)中，沒(méi)有公開(kāi) 用于測(cè)量和評(píng)價(jià)所沉積單晶的品質(zhì)和穩(wěn)定性的方法或設(shè)備。如上所述的JP-A-2004-2173公開(kāi)了包含Si和M (Μ =Mn或Ti)的合金的熔 體，其中Si和M的原子比用SVxMx表示，當(dāng)M是Mn時(shí)，0. 1彡X彡0. 7，而當(dāng)M是Ti
4時(shí)，0.1 < XS 0.25。該熔體不包含未溶解的C。C從石墨坩堝溶入到熔體中。在如 JP-A-2004-2173中記載的碳化硅單晶的生產(chǎn)方法中，將碳化硅籽晶的襯底浸入溶液中，并 且過(guò)冷處理所述籽晶襯底周圍的合金熔體，使得所述溶液過(guò)飽和有碳化硅，由此在籽晶襯 底上生長(zhǎng)碳化硅單晶。對(duì)于如在JP-A-2000-264790中記載的碳化硅單晶的生長(zhǎng)方法，在 JP-A-2004-2173中記載了由于其源材料中包含碳，所以通過(guò)該方法生產(chǎn)的碳化硅易于是多 晶，并且當(dāng)溶液溫度不高于2000°C時(shí)，生長(zhǎng)速率僅達(dá)到100 μ m/h或更低。如上所述的JP-A-2006-143555公開(kāi)了含有Si、C和M(M =Fe或Co)的合金的熔體 (含有C的溶液)，其中[M]是M的摩爾濃度，[Si]是Si的摩爾濃度，當(dāng)M是Fe時(shí)，[M]/ ([M] +[Si])的值等于或大于0.2且等于或小于0.7，當(dāng)M是Co時(shí)，[M]/([M] + [Si])的值等 于或大于0. 05且等于或小于0. 25。在如JP-A-2006-143555中記載的碳化硅單晶的生產(chǎn)方 法中，將由碳化硅制成的籽晶襯底浸入合金熔體(包含C的溶液)中，并且使籽晶襯底周圍 的合金熔體過(guò)飽和有碳化硅，由此在籽晶襯底上生長(zhǎng)碳化硅單晶。在利用上述合金的具體 例子中，以24. 6 μ m/h至75. 2 μ m/h的生長(zhǎng)速率生長(zhǎng)碳化硅單晶。如上所述的JP-A-2007-76986公開(kāi)了一種含有熔體的溶液，其包含Si、Ti、M(M =Co 和/或Mn)作為溶劑和C作為溶質(zhì)，并且滿足關(guān)系0. 17 ( y/x ( 0. 33和0. 90 ( (y+z)/ χ彡1. 80，其中Si、Ti和M的原子比用SixTiyMz表示，和含有Si、Ti、M(M :A1)和C的溶液， 并且滿足關(guān)系0. 17彡y/x彡0. 33和0. 33彡(y+z)/χ彡0. 60，其中Si、Ti和M的原子比 用SixTiyMz表示。在如JP-A-2007-76986中記載的碳化硅單晶的生產(chǎn)方法中，使得用于碳 化硅生長(zhǎng)的籽晶襯底與如上所述的前者溶液或后者溶液接觸，并且使籽晶襯底周圍的溶液 過(guò)冷，以使溶解在溶液中的碳化硅過(guò)飽和，由此在籽晶襯底上生長(zhǎng)碳化硅單晶。在利用上述 金屬的具體例子中每100分鐘的碳化硅單晶的生長(zhǎng)厚度為17. 9 μ m至145. 0 μ m(當(dāng)轉(zhuǎn)化成 生長(zhǎng)速率時(shí)，其對(duì)應(yīng)于10. 7 μ m/h至86. 8 μ m/h的范圍)。如從上述說(shuō)明所理解的，通過(guò)如在上述公開(kāi)中描述的液相沉積生長(zhǎng)碳化硅大塊單 晶的方法，難以以充分高的生長(zhǎng)速率生長(zhǎng)碳化硅單晶。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種生長(zhǎng)碳化硅單晶的方法，與通過(guò)液相沉積生長(zhǎng)晶體 的已知方法相比，所述方法的生長(zhǎng)速率提高。本發(fā)明的第一方面涉及一種通過(guò)使碳化硅單晶襯底與包含C的溶液接觸而用于 在所述襯底上生長(zhǎng)碳化硅單晶的方法，所述包含C的溶液通過(guò)在石墨坩堝中加熱和熔融Si 并且將C從所述石墨坩堝溶入到包含Si的熔體中來(lái)制備。在所述方法中，通過(guò)將C溶入到 包含Cr和X的熔體中來(lái)制備所述包含C的溶液，使得所述熔體的總組成中Cr的比例為30 至70原子％，并且所述熔體的總組成中X的比例為1至25原子％，其中X由Sn、In和Ga 中的至少一種元素組成，和由所述溶液生長(zhǎng)碳化硅單晶。本發(fā)明的第二方面涉及一種用于生長(zhǎng)碳化硅單晶的方法。所述方法包括通過(guò)在加 熱坩堝的同時(shí)使C溶入到所述坩堝中的包含Si、Cr和X的熔體中來(lái)制備包含C的溶液的步 驟，其中X為Sn、In和Ga中的至少一種元素；和使碳化硅單晶襯底與所述溶液接觸以在所 述碳化硅單晶襯底上生長(zhǎng)碳化硅單晶的步驟。在所述熔體的總組成中，Cr的比例為30至 70原子％，并且所述熔體的總組成中X的比例為1至25原子％。
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根據(jù)本發(fā)明，可以以與相關(guān)技術(shù)的出版物或文獻(xiàn)中所述的已知液相晶體生長(zhǎng)方法 相比更高的生長(zhǎng)速率來(lái)生長(zhǎng)碳化硅單晶。


通過(guò)以下參照附圖的對(duì)示例性實(shí)施方案的說(shuō)明，本發(fā)明的前述和其它目的、特征 和優(yōu)點(diǎn)將變得明顯，附圖中類似的附圖標(biāo)記用于表示類似的要素，其中圖1顯示用于實(shí)施本發(fā)明的方法的制造設(shè)備的一個(gè)實(shí)例；圖2顯示在每個(gè)實(shí)施例中均利用其進(jìn)行碳化硅單晶生長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)的設(shè)備；圖3顯示在Cr占Si與Cr之和的比例為50原子％的條件下，從對(duì)比例3的Si-Cr 熔體獲得的碳化硅單晶的橫截面；和圖4顯示在Cr占Si與Cr之和的比例為90原子％的條件下，從對(duì)比例3的Si-Cr 熔體獲得的碳化硅單晶的橫截面。
具體實(shí)施例方式將描述本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案。更具體而言，將描述用于生長(zhǎng)碳化硅單晶的方法， 在該方法中，將選自Sn、In和Ga的至少一種元素添加到熔體中，使得熔體的總組成中該元 素的比例控制在1至20原子％的范圍內(nèi)，并且利用由此獲得的熔體來(lái)生長(zhǎng)碳化硅單晶。在通過(guò)液相沉積用于生長(zhǎng)碳化硅單晶的方法中，通過(guò)與Si —起添加Cr和X(X是 Sn、In和Ga中的至少一種)來(lái)制備Si-Cr-X熔體，使得Cr在熔體的總組成中的比例控制 在30至70原子％的范圍內(nèi)，X的比例控制在1至25原子％的范圍內(nèi)，更優(yōu)選地，在1至20 原子％的范圍內(nèi)，并且由通過(guò)將C溶入到熔體中制備的Si-Cr-X-C來(lái)沉積和生長(zhǎng)碳化硅晶 體。上述X選自為第IIIa族元素的Ga和In，和為第IVa族元素的Sn。在這些元素中，因 為Sn可容易地獲得，所以優(yōu)選Sn用作X。關(guān)于Si-Cr-X熔體中Cr的比例，如果Cr的比例小于30原子％，則碳化硅單晶的生 長(zhǎng)速率顯著降低，而如果Cr的比例大于70原子％，則有可能在碳化硅單晶周圍形成多晶， 這使得難以穩(wěn)定地生長(zhǎng)僅由單晶組成的晶體。因此，Si-Cr-X熔體中Cr的比例恰當(dāng)?shù)乜刂?在30原子％至70原子％的范圍內(nèi)。此外，如果Si-Cr-X熔體中X的比例小于1原子％，則 提高碳化硅單晶的生長(zhǎng)速率的效果降低。如果Si-Cr-X熔體中X的比例大于25原子％，則 未發(fā)現(xiàn)提高碳化硅單晶生長(zhǎng)速率的效果，或者即使發(fā)現(xiàn)一些效果，也使得一部分或全部所 得晶體成為多晶，由此使得難以實(shí)現(xiàn)單晶的穩(wěn)定生長(zhǎng)。將參照?qǐng)D1描述用于實(shí)施本發(fā)明的該實(shí)施方案的方法的制造設(shè)備。在圖1中，由 碳化硅制成的單晶襯底結(jié)合并固定至作為碳化硅籽晶支撐構(gòu)件的一個(gè)實(shí)例的石墨棒(其 也可以稱為“石墨軸”)的尖端。將石墨棒浸入溶液中，使得在所述單晶襯底上生長(zhǎng)碳化硅 單晶，其中所述溶液通過(guò)將C溶入到由作為加熱裝置的高頻線圈加熱的熔體中來(lái)制備。雖然在使用具有上述組成的Si-Cr-X-C溶液時(shí)碳化硅單晶的生長(zhǎng)速率顯著提高 的原因不明，但是Cr有助于改善從與熔體接觸的石墨(圖1的設(shè)備中的坩堝)溶解C的能 力，結(jié)果是從坩堝溶解的C構(gòu)成碳化硅晶體的源材料。因此，可以設(shè)想，Cr和X相互協(xié)同以 有助于進(jìn)一步改善或提高碳化硅單晶的生長(zhǎng)速率。用于制備具有上述組成的Si-Cr-X-C溶液以根據(jù)該實(shí)施方案的方法制造碳化硅單晶的程序不做具體限制。例如，初始將構(gòu)成源材料的Si、Cr和X放入作為反應(yīng)器的石墨 坩堝中，并且通過(guò)溶解源材料形成合金并且將合金加熱至高于合金的固相線溫度的溫度來(lái) 形成熔體。關(guān)于此，優(yōu)選同時(shí)向Si添加Cr和X以制造源材料。Si-Cr-X-C溶液中的至少 一部分C是從石墨坩堝溶入到熔體中的。雖然尤其優(yōu)選通過(guò)從石墨坩堝溶解來(lái)提供全部的 C，但是一部分C可以以熔體源材料中包含的碳化物或碳的形式供給，或者一部分C可以通 過(guò)將含碳的氣體如甲烷氣體吹入熔體中來(lái)供給。隨著繼續(xù)加熱熔體，由Si、Cr和X組成的源材料充分熔融，并且C充分地從石墨 坩堝溶入到熔體中，使得由此產(chǎn)生的溶液中的碳濃度達(dá)到接近作為溶劑的熔體中碳化硅的 飽和濃度的水平，并且變得恒定。然后，使用于生長(zhǎng)碳化硅的籽晶襯底與溶液接觸，并且通 過(guò)為溶液提供約5至50°C /cm的溫度梯度的溫度梯度法、或者通過(guò)控制加熱裝置的操作來(lái) 冷卻溶液的冷卻法，將籽晶襯底周圍的溶液過(guò)冷卻至2100°C或更低的溫度，更具體地，約 1600至1800°C的溫度。結(jié)果，溶液中溶解的碳化硅在溶液中過(guò)飽和，使得在籽晶襯底上生 長(zhǎng)碳化硅單晶。作為上述籽晶襯底，優(yōu)選使用晶形與待生長(zhǎng)的碳化硅的晶形相同的襯底。例 如，可以使用通過(guò)升華法制造的碳化硅單晶。在該實(shí)施方案的方法中，可以采用利用液相沉積的常規(guī)制造方法的已知條件或參 數(shù)，例如石墨坩堝的形狀、加熱方法、加熱時(shí)間段、氣氛、升溫速率和冷卻速率。例如，可以使 用高頻感應(yīng)加熱作為加熱方法。加熱時(shí)間段(即從引入源材料至溶液達(dá)到碳化硅飽和濃度 時(shí)的大致時(shí)間段)可以為約幾小時(shí)至10小時(shí)(例如約3至7小時(shí))，但是其取決于坩堝的 尺寸。氣氛可以選自稀有氣體，例如惰性氣體如He、Ne和Ar，和通過(guò)用N2或甲烷氣體替代 部分惰性氣體而獲得的氣體。根據(jù)該實(shí)施方案的方法，與通過(guò)利用已知的三組分系統(tǒng)(例如Si-Cr-C溶液)或 四組分系統(tǒng)(例如Si-Ti-Al-C溶液、Si-Ti-Mn-C溶液或Si-Ti-Co-C溶液)的液相沉積生 長(zhǎng)碳化硅單晶的已知方法相比，可以以更高的生長(zhǎng)速率制造基本上不含多晶的碳化硅單晶 (在Sn的情況下為η型碳化硅單晶，在Ga和In的情況下為ρ型碳化硅單晶)。本發(fā)明的 方法不僅可以應(yīng)用于生長(zhǎng)大塊單晶的方法，而且也可以應(yīng)用于在碳化硅襯底的表面上形成 液相外延生長(zhǎng)層的技術(shù)。在下文中，將顯示本發(fā)明的一些具體實(shí)施例。在每個(gè)以下實(shí)施例中，利用包括圖2 中所示的石墨坩堝作為反應(yīng)器的設(shè)備來(lái)進(jìn)行生長(zhǎng)碳化硅單晶的實(shí)驗(yàn)。在每個(gè)實(shí)施例中，將 Si置于石墨坩堝中，然后將Cr和X同時(shí)添加到石墨坩堝中。在將Si、Cr和X的源材料保持 加熱約2至3小時(shí)之后且將所得熔體(溶液)保持在設(shè)定溫度(1800至2100°C )之后，將 碳化硅單晶襯底浸入C從石墨坩堝溶入到其中使其達(dá)到碳化硅飽和濃度的溶液中。然后， 控制用作加熱裝置的高頻線圈以為單晶襯底和生長(zhǎng)中的晶體前面提供0. 8至3. O0C /mm的 溫度梯度，使得在單晶襯底上生長(zhǎng)氮化硅單晶。在經(jīng)過(guò)預(yù)定生長(zhǎng)時(shí)間之后，將生長(zhǎng)的晶體完 全從溶液中拉出，并且將坩堝逐漸冷卻至室溫。以該方式，獲得生長(zhǎng)的碳化硅單晶。通過(guò)X 射線(XRD)測(cè)定每個(gè)實(shí)施例中獲得的碳化硅晶體是否為單晶或多晶。實(shí)施例1-7加熱并熔融由具有下表1所示比例的Si、Cr和Sn構(gòu)成的源材料。在熔融源材料 的同時(shí)，C從石墨坩堝溶入到熔體中。將溶液保持在一定的溫度，并且將單晶襯底浸入溶液 中，以允許在襯底上生長(zhǎng)單晶。經(jīng)證實(shí)，在每個(gè)這些實(shí)施例中獲得的碳化硅晶體都是η型單
7晶。利用如圖2中所示的輻射溫度計(jì)和熱電偶測(cè)量溶液等的溫度。輻射溫度計(jì)安裝在位于 溶液表面上方的觀察窗處，以允許直接觀察溶液表面，并且能夠測(cè)量單晶襯底與溶液接觸 之前和之后的溫度。此外，熱電偶安裝在與單晶襯底結(jié)合的石墨棒的內(nèi)部(例如，在距離單 晶襯底2mm的位置處)，并且從單晶襯底剛與溶液接觸之后的時(shí)刻起測(cè)量溫度。實(shí)施例1至 7中使用的源材料的組成和對(duì)這些實(shí)施例測(cè)量的生長(zhǎng)速率示于下表1中。對(duì)比例1除了將由具有下表1所示比例的Si、Cr和Sn構(gòu)成的源材料放入石墨坩堝中之外， 對(duì)比例1的碳化硅晶體以與實(shí)施例1中相同的方式生長(zhǎng)。源材料的組成和在晶體生長(zhǎng)期間 測(cè)量的生長(zhǎng)速率也示于下表1中。表 1 如表1可見(jiàn)，當(dāng)源材料(溶劑是Si-Cr-Sn熔體)的總組成中Sn的比例為1至25 原子％時(shí)，碳化硅單晶的生長(zhǎng)速率為358至520μ m/h(時(shí)間)，而當(dāng)Sn的比例為3至25原 子％，生長(zhǎng)速率為380至520 μ m/h。特別地，當(dāng)Sn的比例為5至20原子％時(shí)，碳化硅單晶 的生長(zhǎng)速率為445至520 μ m/h。因此，在Si-Cr-Sn熔體體系中觀察到了生長(zhǎng)速率的顯著提 高。然而，當(dāng)Sn的比例為30原子％時(shí)，生長(zhǎng)速率顯著降低。實(shí)施例8-12除了加熱和熔融由具有下表2所示比例的Si、Cr和In構(gòu)成的源材料之外，實(shí)施 例8-12的碳化硅單晶通過(guò)與實(shí)施例1中基本相同的方式生長(zhǎng)。在熔融源材料的同時(shí)，C從 石墨坩堝溶入到熔體中。將溶液保持在一定的溫度(約1980°C )，并且將籽晶浸入溶液中 以允許在籽晶上生長(zhǎng)晶體。經(jīng)證實(shí)，在每個(gè)這些實(shí)施例中獲得的碳化硅晶體都是P型單晶。 實(shí)施例8-12中使用的源材料的組成和對(duì)這些實(shí)施例測(cè)量的生長(zhǎng)速率示于下表2中。對(duì)比例2除了將由具有下表2所示比例的Si、Cr和In構(gòu)成的源材料放入石墨坩堝中之外， 以與實(shí)施例8中相同的方式生長(zhǎng)對(duì)比例2的碳化硅晶體。源材料的組成和在晶體生長(zhǎng)期間 測(cè)量的生長(zhǎng)速率也示于下表2中。表 2
如從表2可見(jiàn)的，當(dāng)源材料(溶劑是Si-Cr-In熔體)總組成中In的比例為1至 25原子％時(shí)，碳化硅單晶的生長(zhǎng)速率為475至621 μ m/h。因此，在Si-Cr-In熔體體系中觀 察到了顯著的生長(zhǎng)速率提高。然而，當(dāng)In的比例為30原子％時(shí)，生長(zhǎng)速率顯著降低。實(shí)施例13-17除了將由具有下表3所示比例的Si、Cr和Ga構(gòu)成的源材料放入石墨坩堝中并 且將其加熱和熔融之外，實(shí)施例13-17的碳化硅單晶通過(guò)與實(shí)施例1中基本上相同的方式 生長(zhǎng)。在熔融源材料的同時(shí)，C從石墨坩堝溶入到熔體中。將溶液保持在一定的溫度(約 1980°C )，并且將籽晶浸入溶液中以允許在籽晶上生長(zhǎng)單晶。經(jīng)證實(shí)，在每個(gè)這些實(shí)施例中 獲得的碳化硅晶體都是P型單晶。實(shí)施例13-17中使用的源材料的組成和對(duì)這些實(shí)施例測(cè) 量的生長(zhǎng)速率示于下表3中。表3 如從表3可見(jiàn)，當(dāng)源材料(溶劑是Si-Cr-Ga熔體)總組成中Ga的比例為1至20 原子％時(shí)，SiC單晶的生長(zhǎng)速率為322至420 μ m/h,并且隨著Ga的比例增加，生長(zhǎng)速率提 高。特別地，當(dāng)Ga的比例為5至20原子％時(shí)，碳化硅單晶的生長(zhǎng)速率為380至420 μ m/h。 因此，在Si-Cr-Ga熔體體系中觀察到了顯著的生長(zhǎng)速率提高。對(duì)比例3通過(guò)將由Si和Cr (Cr的比例在3至95原子％范圍內(nèi)變化)構(gòu)成的源材料放入石 墨坩堝中并加熱和熔融源材料來(lái)制備其中未添加Sn、In和Ga的三組分Si-Cr熔體的一些 試樣。在熔融源材料的同時(shí)，C從石墨坩堝溶入到熔體中。將溶液保持在一定的溫度(約 1980°C )，并且將單晶襯底浸入溶液中，使得以與實(shí)施例1中相同的方式在襯底上生長(zhǎng)晶 體。源材料組成中Cr的比例和對(duì)每個(gè)Si-Cr熔體試樣測(cè)量的生長(zhǎng)速率示于下表4中。
表 4 如上所述，當(dāng)Cr占Si和Cr之和的比例小于30原子％時(shí)，由Si-Cr熔體形成的單 晶的生長(zhǎng)速率低。當(dāng)Cr占Si和Cr之和的比例大于70原子％時(shí)，一部分或全部所得碳化 硅晶體成為多晶。對(duì)比例4通過(guò)將由Si、Ti和Al (Al的比例在0至10原子％范圍內(nèi)變化)構(gòu)成的源材料放 入石墨坩堝中并加熱和熔融源材料來(lái)制備熔體的一些試樣。將熔體保持在一定的溫度(約 1820°C )，并且將單晶襯底浸入熔體中，使得以與實(shí)施例1中相同的方式在單晶襯底上生長(zhǎng) 晶體。即使改變?cè)床牧系目偨M成中Al的比例，生長(zhǎng)速率在最高時(shí)也等于或低于140 μ m/h。雖然在上述實(shí)施方案和實(shí)施例中使用石墨坩堝來(lái)生長(zhǎng)碳化硅單晶，但是坩堝也可 以是其他坩堝，例如陶瓷坩堝等。在該情況下，將碳供給到這種坩堝。
權(quán)利要求
一種通過(guò)使碳化硅單晶襯底與包含C的溶液接觸而用于在所述襯底上生長(zhǎng)碳化硅單晶的方法，所述包含C的溶液通過(guò)在石墨坩堝中加熱和熔融Si并且將C從所述石墨坩堝溶入到包含Si的熔體中來(lái)制備，所述方法包括通過(guò)將C溶入到包含Cr和X的所述熔體中來(lái)制備所述包含C的溶液，使得所述熔體的總組成中Cr的比例為30至70原子％，并且所述熔體的總組成中X的比例為1至25原子％，其中X由Sn、In和Ga中的至少一種元素組成；和由所述溶液生長(zhǎng)所述碳化硅單晶。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中向所述熔體添加X(jué)，使得X的比例為1-20原子％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中X是Sn。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中向所述熔體添加Sn，使得Sn的比例為3至25原子％。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中向所述熔體添加Sn，使得Sn的比例為5至20原子％。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中X是In。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中X是Ga。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中向所述熔體添加Ga，使得Ga的比例為5至20原子％。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的方法，其中Si、Cr和X在所述石墨坩堝中被加熱 至比固相線溫度高的溫度，以提供所述溶液。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的方法，其中將Cr和X同時(shí)放入所述石墨坩堝中。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的方法，其中僅由所述石墨坩堝供給C。
12.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的方法，其中繼續(xù)加熱所述石墨坩堝以熔融包含 Si、Cr和X的源材料，并且從所述石墨坩堝溶出C，并且在所述溶液中的碳濃度達(dá)到所述溶 液中的碳化硅飽和濃度之后使所述碳化硅單晶襯底與所述溶液接觸。
13.根據(jù)權(quán)利要求1-12中任一項(xiàng)所述的方法，其中通過(guò)為所述溶液提供5至50°C /cm的溫度梯度的溫度梯度法來(lái)冷卻所述溶液；和 使所述碳化硅單晶襯底周圍的所述溶液過(guò)冷卻至2100°C至1600°C的溫度，使得所述 溶液中溶解的碳化硅在所述溶液中過(guò)飽和，由此在所述單晶襯底上生長(zhǎng)所述碳化硅單晶。
14.根據(jù)權(quán)利要求1-12中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述溶液通過(guò)控制加熱裝置來(lái)冷 卻，使得所述碳化硅單晶襯底周圍的所述溶液過(guò)冷卻至2100°C至1600°C的溫度，并且所述 溶液中溶解的碳化硅在所述溶液中過(guò)飽和，由此在所述單晶襯底上生長(zhǎng)所述碳化硅單晶。
15.根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的方法，其中所述碳化硅單晶襯底周圍的所述溶液過(guò)冷 卻至2100°C至1800°C的溫度，使得所述溶液中溶解的碳化硅在所述溶液中過(guò)飽和。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述碳化硅單晶襯底周圍的所述溶液過(guò)冷卻至 約1980°C的溫度，使得所述溶液中溶解的碳化硅在所述溶液中過(guò)飽和。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述碳化硅單晶襯底周圍的所述溶液過(guò)冷卻， 并且保持在恒定的溫度，使得所述溶液中溶解的碳化硅在所述溶液中過(guò)飽和。
18.一種用于生長(zhǎng)碳化硅單晶的方法，包括通過(guò)在加熱坩堝的同時(shí)使C溶入到所述坩堝中的包含Si、Cr和X的熔體中來(lái)制備包含C的溶液，其中X為Sn、In和Ga中的至少一種元素；和使碳化硅單晶襯底與所述溶液接觸以在所述碳化硅單晶襯底上生長(zhǎng)所述碳化硅單晶， 其中在所述熔體的總組成中Cr的比例為30至70原子％，并且所述熔體的總組成中X 的比例為1至25原子％。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述坩堝是石墨坩堝。
全文摘要
一種通過(guò)使碳化硅單晶襯底與包含C的溶液接觸而用于在所述襯底上生長(zhǎng)碳化硅單晶的方法，所述包含C的溶液通過(guò)將C溶入到包含Si、Cr和X的熔體中來(lái)制備，X由Sn、In和Ga中的至少一種元素組成，使得熔體的總組成中Cr的比例為30至70原子％，并且X的比例為1至25原子％，以及由所述溶液生長(zhǎng)碳化硅單晶。
文檔編號(hào)C30B19/00GK101910476SQ200980102150
公開(kāi)日2010年12月8日 申請(qǐng)日期2009年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月15日
發(fā)明者寺島由紀(jì)夫, 藤原靖幸 申請(qǐng)人:豐田自動(dòng)車株式會(huì)社