溶液法生长碳化硅晶体中台阶聚集现象的控制研究

There exists the surface roughening problem in the SiC crystal by solution growth method, namely some big steps come into being on the crystal surfaces after long hours in solution growth method. Micro-holes problem are solved successfully by solution growth method, but this method brings some other problems, such as inclusions and poly-crystal defects. It's critical to be industrialization for solution growth method to control the big steps and roughness of crystal surface. Step bunching phenomenon of crystal surface will be well studied in this project. By designing a new top seed crystal solution growth equipment which is different from the traditional equipment, we will realize the control growth method of crystal surface by controlling the parameters of growth temperature, supersaturation, direction and speed of flow, installation and off-axis angle of of seed crystal, further to restrain the big steps of crystal surface, so that to control the roughness of crystal surfaces and to get high quality SiC crystal with smooth surface but without micro-holes, poly-crystals and inclusion defects.

由于目前液相法制备SiC单晶存在着表面粗糙化的问题，即长时间液相法生长后，晶体表面布满了大台阶。虽然液相法成功消除了微管缺陷，但却引入了夹杂、多晶等缺陷。因此控制晶体表面的大台阶，控制表面粗糙度，成为液相法工业化应用的关键问题。本课题的主要内容是研究晶体表面台阶聚集现象的机理。通过设计一种新的顶部籽晶溶液生长装置，有别于传统的溶液生长法，控制台阶聚集现象，实现对晶体表面生长方式的控制(可以控制的参数有生长温度、溶液过饱和度、溶液流动方向和速度、籽晶安装方式和籽晶偏轴角度等)，从而抑制晶体表面大台阶的形成，达到控制表面粗糙度的目的，最终得到无微管缺陷，并且表面形貌光滑、无多晶和夹杂的高质量SiC单晶。

碳化硅（SiC）是继硅、锗、砷化镓等之后的第三代半宽禁带半导体材料，作为一种宽禁带材料，其在禁带宽度、热导率、临界击穿场强、饱和电子漂移速率等方面具有明显的优势，是制造功率器件、大功率LED等的理想衬底材料。目前商品化的SiC衬底通过物理气象输运（PVT）法获得，衬底中含有大量的缺陷，尤其是微管缺陷，会导致器件的击穿失效。随着功率器件大功率化和高频化，生产高质量SiC衬底的需求越来越迫切。溶液法因其生长过程处于近平衡状态，是生长高品质的SiC晶体的理想方法，特别是可以消除PVT法过程中难以避免的微管缺陷。但目前溶液法还不能进行工业化应用，因为晶体生长过程中的多型共生缺陷、表面粗糙化以及包裹体缺陷等问题还没有得到有效的解决。本课题主要针对溶液法生长SiC晶体过程中的多型共生缺陷、台阶聚集现象、包裹体缺陷和贯穿性位错等问题进行展开，以得到高品质的4H-SiC晶体为目的。.本课题主要的研究内容有：1）通过对籽晶类型的选择来控制晶体的生长模式，控制晶体生长过程中的多型共生缺陷；2）通过实现溶液的单向流动，考察溶液流动方向、速度、生长时间等因素对台阶聚集现象的影响；3）采用偏角籽晶并通过控制溶液流动的方法，抑制包裹体缺陷的产生；4）最后探讨了溶液流动对晶体结晶质量及晶体内缺陷的影响。.研究结果表明：通过正轴（on-axis）衬底通过螺旋位错生长机制进行生长时，晶体从4H-SiC转变为6H-SiC和15R-SiC等多型，说明螺旋位错生长机制不能有效控制多型共生缺陷。当采用偏轴（off-axis）衬底通过台阶流动生长机制生长时，晶体的多型始终保持为4H-SiC，说明台阶流动生长机制是适合溶液法保持晶型单一稳定的有效方法。.本课题提出了解决溶液法生长过程中的多型共生缺陷、台阶聚集现象、包裹体缺陷的有效办法，对提高溶液法生长SiC晶体的表面形貌和质量、使溶液法迈向工业化都具有重要意义。