SiC单晶制备与晶体缺陷研究

论文摘要

现代科技领域对高频率、大功率、耐高温、化学稳定性好以及可以在强辐射环境中工作的电子器件的要求越来越高。SiC具有宽带隙、高临界电场、高热导率、高载流子饱和漂移速度等特点,在高温、高频、大功率、光电子及抗辐射等方面具有巨大的潜力,是重要的第三代半导体材料。SiC单晶制备的研究已成为目前半导体材料领域的一个研究热点,并已取得了长足的进步,但距离大规模应用还存在一定的距离。在面临的技术难题中,微管缺陷的产生与防止的研究具有重要的意义。碳在SiC单晶生长中是重要的源材料,在单晶高温生长过程中,容器、源材料中的碳及其高温变化对生长过程以及缺陷的形成有重要的影响。粘贴籽晶的盖板在晶体生长过程中,可能由于异质成核长大从而出现多晶抑制了籽晶的径向生长,妨碍了单晶尺寸的进一步放大。动力学模拟对于研究SiC单晶生长过程具有重要作用,但目前均采用静态动力学模型,没有考虑晶体生长过程中各种参量的变化,难以完全反映晶体实际生长过程。鉴于SiC单晶研究中存在的问题,本研究从生长设备改造、SiC源料粉末以及籽晶制备入手,系统研究了PVT法的基本生长工艺以及相关的内容,获得了一些在实际应用和理论研究上有价值的研究结果。通过对微管的形状、大小和分布的观察以及对微管起源与生长的研究,提出了“以夹杂为中心的层错模型”的微管形成模型,成功地解释了微管的形状、大小以及密度。在此微管模型的基础上,提出了减少微管的方法。在SiC粉料顶部加入活性炭抑制了Si夹杂的形成,从而减少了微管缺陷的密度。用平行于[0001]方向的晶面( 11 20)和( 1 100)面作为生长面大大降低了位错和微管缺陷的密度。系统地研究了碳(石墨)对SiC单晶生长过程的作用。生长过程中石墨坩埚通过和气相Si反应生成SiC2为晶体生长提供碳源。但高石墨化度的坩埚,或者坩埚随高温晶体生长过程石墨化度的提高,都将直接导致晶体生长速度减缓,并导致籽晶表面Si相及与其相关的缺陷增多。活性炭的加入可以给生长过程提供充足的碳源,保证晶体生长速度,抑制籽晶表面Si相的形成,减少与Si相有关的缺陷,并使晶体生长速度沿径向有了明显的改变,晶体的外形发生显著变化。不添加活性炭时,晶体生长速度从四周向中心逐步减小,晶体生长前表面为凹面;加入活性炭时,晶体生长速度从四周向中心逐步增加,晶体前表面成为凸面。活性炭添加的位置直接影响晶体生长速度。当活性炭置于源料粉末底部时,不能为生长过程提供碳源;活性炭置于源料粉末中间时,在生长过程的前期能够提供碳源,而在后期当底部碳化硅粉料完全挥发后,则处于未挥发粉料的下方,无法为生长过程提供碳源;当活性炭被置于源料粉末顶部时,它能够始终为生长过程提供碳源。通过盖板材质对SiC多晶形核影响的研究可知,石墨盖板上在生长初期很快形成SiC多晶层,严重阻碍了籽晶径向的生长。Ta盖板可以成功地抑制生长初期阶段多晶层的形成,为晶体在径向的生长创造了有利条件。在重新对生长过程中的传质距离进行了定义并考虑了籽晶生长以及粉料挥发对生长过程带来的影响的基础上,建立了SiC生长过程的动态动力学模型。根据动态模型,生长速度随着生长时间的延长而降低。比较动态和静态模型可知,当生长时间为5小时时,静态和动态模型的平均生长速度的误差为8.2%,可以简单地用静态模型进行模拟,不会带来太大的误差。当生长时间为27小时时,静态和动态模型的平均生长速度的误差达到了38.7%,此时静态模型已经不能反应出真实的生长速度,必须使用动态模型进行模拟。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 SiC 概论
• 1.1.1 SiC 的晶体结构及命名
• 1.1.2 SiC 性质及其与Si，GaAs 比较
• 1.1.3 器件应用
• 1.2 SiC单晶制备
• 1.2.1 制备SiC单晶的方法
• 1.2.2 国内外研究现状
• 1.3 本研究的目的及主要内容
• 第二章 实验过程
• 2.1 SiC 单晶制备所需高温炉的获得
• 2.2 源料粉末及籽晶的制备
• 2.3 SiC 单晶的制备及分析
• 第三章 高温炉的改造
• 3.1 设备现状与问题分析
• 3.2 感应加热器设计基础
• 3.2.1 感应电势
• 3.2.2 表面效应
• 3.2.3 临近效应
• 3.2.4 圆环效应
• 3.3 感应器设计计算
• 3.3.1 设计所需数据
• 3.3.2 发热体（坩埚）外径 D
• L'>3.3.3 发热体壁厚与内径 D_L
• 1'>3.3.4 感应器内径 D₁
• 3.3.5 保温材料和绝缘材料厚度
• 3.3.6 发热体与和感应器高度
• 3.3.7 感应器线圈匝数
• 3.4 改造前后设备电效率与热效率对比
• 3.4.1 改造前
• 3.4.2 改造后
• 3.5 改造后设备的调试
• 3.5.1 发热体尺寸与电效率测试
• 3.5.2 升温速度测试
• 3.5.3 调试过程中遇到的问题及解决
• 3.6 本章小结
• 第四章 源料粉末及籽晶的制备
• 4.1 SiC 粉末合成
• 4.1.1 温度对SiC粉末合成的影响
• 4.1.2 保温时间对SiC粉末合成的影响
• 4.1.3 Si、C摩尔比对SiC粉末合成的影响
• 4.1.4 原料粉粒径及混料情况对SiC粉末合成的影响
• 4.1.5 合成SiC粉末的后处理
• 4.2 籽晶制备
• 4.2.1 多次重复生长制备大晶粒多晶
• 4.2.2 单次长时生长制备大尺寸单颗粒晶体
• 4.3 本章小结
• 第五章 基本生长工艺研究
• 5.1 温度与生长速度
• 5.1.1 实验过程
• 5.1.2 结果与讨论
• 5.2 Ar 压力与生长速度
• 5.2.1 实验过程
• 5.2.2 结果与讨论
• 5.3 温度梯度与生长速度
• 5.3.1 实验过程
• 5.3.2 结果与讨论
• 5.4 本章小结
• 第六章 SiC 单晶中的缺陷
• 6.1 位错
• 6.1.1 位错的观察
• 6.1.2 位错的抑制
• 6.2 孪晶
• 6.3 夹杂
• 6.3.1 Si 夹杂
• 6.3.2 C 夹杂
• 6.4 层错
• 6.5 负晶
• 6.6 镶嵌
• 6.7 孔洞
• 6.8 蜷线
• 6.8.1 蜷线的形成机理及其形貌
• 6.8.2 蜷线与晶体的生长机制
• 6.9 微管
• 6.9.1 微管的形成模型
• 6.9.2 微管的减少方法
• 6.10 本章小结
• 第七章 SiC 单晶生长过程中的碳源
• 7.1 坩埚在传质过程中的作用以及对 SiC 单晶生长速度的影响
• 7.1.1 实验过程
• 7.1.2 结果与讨论
• 7.1.3 本节结论
• 7.2 附加碳源对SiC 单晶生长过程的影响
• 7.2.1 实验过程
• 7.2.2 结果与讨论
• 7.2.3 本节结论
• 7.3 碳源的种类与位置
• 7.3.1 实验过程
• 7.3.2 结果与讨论
• 7.3.3 本节结论
• 7.4 本章小结
• 第八章 Ta 坩埚与生长过程
• 8.1 Ta 系统与C 系统的对比
• 8.1.1 实验过程
• 8.1.2 结果与讨论
• 8.1.3 本节结论
• 8.2 Si 与SiC 摩尔比对C+Si+SiC 系统的影响
• 8.2.1 实验过程
• 8.2.2 结果与讨论
• 8.2.3 本节结论
• 8.3 多晶SiC 形核的抑制
• 8.3.1 实验过程
• 8.3.2 结果与讨论
• 8.3.3 本节结论
• 8.4 本章小结
• 第九章 SiC 单晶生长过程动力学模型
• 9.1 动力学模型的建立
• 9.1.1 建模的几点假设
• 9.1.2 静态动力学模型
• 9.1.3 动态动力学模型
• 9.2 模拟结果与讨论
• 9.2.1 温度与生长速度
• 9.2.2 压力与生长速度
• 9.2.3 温度梯度与生长速度
• 9.2.4 C+SiC 系统与Si+SiC 系统对比
• 9.2.5 生长时间与生长速度
• 9.3 本章小结
• 第十章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论文