CN101932757B

CN101932757B - 生长P型SiC半导体单晶的方法和P型SiC半导体单晶

Info

Publication number: CN101932757B
Application number: CN2009801034676A
Authority: CN
Inventors: 关章宪; 藤原靖幸
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-01-29
Filing date: 2009-01-28
Publication date: 2013-03-06
Anticipated expiration: 2029-01-28
Also published as: JP2009179491A; KR101293157B1; DE112009000196T5; JP4697235B2; DE112009000196B8; DE112009000196B4; US20100308344A1; CN101932757A; US8470698B2; WO2009095764A1; KR20100100977A; WO2009095764A8

Abstract

在使P型SiC半导体单晶在SiC单晶基底上生长的方法中，使用其中C溶解在Si熔体中的第一溶液，将Al和N添加到所述第一溶液中，使得添加的Al的量大于添加的N的量，由此制备第二溶液，并由所述第二溶液在SiC单晶基底上生长所述P型SiC半导体单晶。提供了通过上述方法生长的p型SiC半导体单晶，其含有1×10²⁰cm^-3的Al和2×10¹⁸至7×10¹⁸cm^-3的N作为杂质。

Description

生长P型SiC半导体单晶的方法和P型SiC半导体单晶

技术领域

本发明涉及生长p型SiC半导体单晶的方法，还涉及通过这种方法获得的p型SiC半导体单晶。

背景技术

SiC半导体具有优异的性质，例如比Si半导体高的耐受电压、耐高温性和降低的功率损失或耗散，因此已开发成实际用作适合例如逆变器的高电压、大电流功率半导体。例如，提供逆变器的开关装置的MOSFETs(金属氧化物半导体场效应晶体管)和IGBTs(绝缘栅双极晶体管)被要求具有小的ON电阻和高的开关速度。在构成这些晶体管的n型和p型SiC半导体中，n型半导体目前处于相对先进的开发阶段，而p型半导体的发展滞后，因此难以或不可能实现适合实际应用的低电阻。

制造p型SiC半导体的技术的典型实例包括例如升华法、离子注入和液相沉积或溶液法。最广泛使用的升华法提供例如用B或Al掺杂的6H-SiC的晶片，其具有2至10Ωcm的电阻率实验值，但通过该方法实际制成的商品具有200Ωcm或更高的电阻率。尽管上述开关装置被要求具有的实用电阻率水平为0.5Ωcm或更低，但通过升华法制成的SiC半导体的电阻率未达到实用水平。这可能是因为：1)用杂质(例如B或Al)掺杂SiC半导体(即，将例如B或Al的杂质引入SiC半导体中)是困难的，或2)4H-SiC的活化能在用B掺杂时等于285meV，在用Al掺杂时等于190meV(“Foundations and Applications of SiC Devices”Kazuo ARAI编辑，并在2003年由Ohmsha出版)；由于这样大的活化能，较不可能产生活化载体，即活化载体的生成率低。

另一方面，通过离子注入，当以10²⁰至10²¹cm^-3的杂质浓度掺杂时，6H-SiC提供0.02Ωcm的极低电阻率(“Technology of Semiconductor SiCand Its Application”，Hiroyuki MATSUNAMI著，2003年由Nikkan KogyoShimbun Ltd.出版)。如果使用这样的高杂质浓度或大掺杂量，不可避免地产生晶体缺陷，且不能获得高品质的半导体单晶。4H-SiC的活化能也在用B掺杂时等于285meV，在用Al掺杂时等于190meV(“Foundations andApplications of SiC Devices”Kazuo ARAI编辑，并在2003年由Ohmsha出版)；如升华法的情况那样，由于这样大的活化能，较不可能产生活化载体，即活化载体的生成率低。

液相沉积或溶液法有助于改进多型体可控性和减少微管。因此，关于这种方法，已有各种提议。

日本专利申请公开2000-264790(JP-A-2000-264790)公开了通过将Al或B添加到其中C溶解于Si熔体中的溶液(该溶液简称为“Si-C溶液”)中而获得的p型SiC半导体单晶，和类似地通过将N添加到所述Si-C溶液中而获得的n型SiC半导体单晶。但是，该公开不特别致力于降低电阻。

在日本专利申请公开2007-76986(JP-A-2007-76986)中，提出通过将Ti和Al添加到Si-C溶液中而使SiC半导体单晶生长。但是，该公开不特别致力于降低电阻。

在日本专利申请公开2005-82435(JP-A-2005-82435)中，提出通过将1至30重量％Al添加到Si-C溶液中来改进SiC单晶生长表面的平坦性。但是，该公开没有提到所得SiC单晶中所含的Al量，也不特别致力于降低电阻。

在日本专利申请公开2007-153719(JP-A-2007-153719)中，提出在多孔石墨坩锅上沉积N以将N添加到Si-C溶液中。由于N是n型掺杂剂，仅添加N不会产生p型SiC半导体单晶。在此公开中，没有关于电阻降低的任何建议。

发明概要

本发明提供了生长p型SiC半导体单晶的方法，其中电阻率降至适合实际应用的水平；还提供了通过这种方法获得的p型SiC半导体单晶。

本发明的第一方面涉及在SiC单晶基底上生长p型SiC半导体单晶的方法，其中使用C溶解于Si熔体中的第一溶液。在该方法中，将Al和N添加到所述第一溶液中，使得添加的Al的量大于添加的N的量，由此制备第二溶液，并由该第二溶液在SiC单晶基底上生长p型SiC半导体单晶。

本发明的第二方面提供了通过上述方法生长的p型SiC半导体单晶，其含有1×10²⁰cm^-3的Al和2×10¹⁸至7×10¹⁸cm^-3的N作为杂质。

通过以满足Al添加量大于N添加量的关系的量将Al和N添加到Si-C溶液中，可以生长电阻率降至适合实际应用的水平的p型SiC半导体单晶。

在本发明的第一方面的方法中，控制添加到Si-C溶液中的Al和N的量以满足Al添加量大于N添加量的关系，从而在SiC单晶基底上生长p型SiC半导体单晶。

在本发明的第一方面的方法中，将作为p型掺杂剂的Al和作为n型掺杂剂的N合并在一起，并添加到Si-C溶液中。本领域公知的是，如果p型掺杂剂和n型掺杂剂共存，它们可能相互抵消，造成电阻值提高。与常识不同，根据本发明的Al和N的共存造成电阻值与仅添加Al的情况相比显著降低。尚未弄清降低的原因，但电阻值的降低可能是由于：1)改变了将Al引入SiC中的方式，和2)由于N与Al一起存在而改变了电特性(如活化能)。

在本发明的一个实施方案中，p型SiC半导体单晶的生长可以在Ar和N₂的混合气氛中进行。由此将N添加到该溶液中。

在本发明的另一实施方案中，可以向溶液中进一步添加过渡金属。这样，可以进一步降低电阻值。在这种情况下，通常使用Cr或Ti作为所述过渡金属。

该液相沉积或溶液法不仅包括如下解释的厚度为几百微米或几毫米或更大的“单晶的生长”，还包括“液相外延生长”，即形成数微米至数十微米的薄膜。

附图简述

从参照附图的示例性实施方案的下列描述中可看出本发明的前述和其它目的、特征和优点，其中类似数字用于表示类似元件，且其中：

图1是显示用于根据本发明的方法通过液相沉积生长p型SiC半导体单晶的装置的基本构造的示意图。

优选实施方案详述

在本发明的一个实施方案中，根据下列程序在下列条件下通过液相沉积生长p型SiC半导体单晶。

图1显示了此实施方案中所用的装置。通过围绕石墨坩锅10的高频加热线圈加热石墨坩锅10中的源材料，并使其溶解成溶液14，使SiC单晶基底18(其是负载在支承元件16下端的SiC晶种)与溶液14的液面14a接触，以便在例如Ar气体的惰性气氛20中在SiC单晶基底18的下表面上生长SiC单晶。

为了提供源材料，将Si、Al、Cr和Ti以表1中所示的各种量混合在一起，并将所得混合物装入石墨坩锅10。第1号至第3号样品是本发明的实施例，第4号样品是对比例。在所有实施例中，源材料中Al的比例(或含量)都等于10原子％的恒定值。

向该装置充入Ar+N₂混合气体气氛20，气氛20通过将100ppm N₂添加到Ar气体中而制成。在仅添加Al作为掺杂剂的第4号样品(对比例)中，使用不与N₂混合的Ar气氛。

将源材料加热至1700至2000℃的生长温度并溶解成溶液14，将6H-SiC形式的SiC单晶基底18浸入溶液14中，并保持在溶液14的液面14a处。

在上述条件下，以0.1至0.2毫米/小时的生长速率经大约10小时生长SiC单晶。将所得SiC单晶切成各自具有600微米厚度的薄片，并进行霍尔效应测量。测量结果显示在下表1中。

表1

(^＊1)Si、Al、Cr和Ti的量以各元素在装入坩锅的这些元素的总量中的比例(原子％)表示。N的量以其在Ar气氛中的浓度(ppm)表示。

(^＊2)通过SIMS测量杂质浓度。

仅添加了Al的第4号样品(对比例)的电阻率为0.7Ωcm，其低于通过传统升华法实现的1至5Ωcm，但仍高于作为适合实际应用的水平的0.5Ωcm或更低的所需水平。

另一方面，作为本发明实施例的所有第1号至第2号样品都满足作为实用水平的0.5Ωcm或更低的所需水平。更具体地，添加了Al和N作为掺杂剂的第1号样品的电阻率为0.25Ωcm，进一步添加了Cr作为掺杂剂的第2号样品的电阻率为低至0.03Ωcm的水平，而进一步添加了Ti作为掺杂剂的第3号样品的电阻率为低至0.07Ωcm的水平。

在本发明的实施例中，N以及Al的添加和Cr或Ti的进一步添加造成电阻率降至比仅添加Al作为掺杂剂的情况低的水平。尚未弄清电阻率降低的原因，但可以如上所述作出下列猜测。也就是说，电阻值的降低可能是由于：1)改变了将Al引入SiC中的方式，和2)由于N和Cr/Ti的添加而改变了电特性(如活化能)。

尽管充入该坩锅的N的量(即Ar气氛中的N浓度)在本发明的实施例中为100ppm，但N的浓度可以改变。但是，合意的是，N在Ar气氛中的百分比(N浓度)小于10％。由本发明人进行的实验发现，当该气氛中N的百分比为10％或更大时，在生长的Si单晶表面上生成衍生自SiN的晶粒(外来物质)；因此，如果N的百分比等于或小于10％，可以获得高品质的SiC单晶。同样合意的是，出于下列原因，N加料量为2ppm或更大。也就是说，当N/Al等于或大于2％(N/Al≥2％)且Al浓度在等于或大于1×10¹⁸cm^-3(Al≥1×10¹⁸cm^-3)的可适用的杂质浓度范围内时，可确保降低电阻的效应。因此，N浓度的下限等于或高于2×10¹⁶cm^-3，提供这种浓度的N加料量(Ar气氛中的N浓度)等于或高于2ppm。

Al-N键的存在可以被视为是由于添加Al和N的组合而降低电阻的机制。由于当相对于1×10²⁰cm^-3的Al以2×10¹⁸cm^-3的浓度添加N时通过实验证实了降低电阻的效应，可能要求N浓度等于或高于1×10¹⁸cm^-3以确保降低P层(p型SiC半导体单晶)的电阻的该效应。

尽管在上述实施方案和实施例中使用石墨坩锅生长碳化硅单晶，但坩锅可以是另一坩锅，如陶瓷坩锅等。在这种情况下，向该坩锅供应碳。

尽管已参照其示例性实施方案描述本发明，但要理解的是，本发明不限于所述实施方案或构造。相反，本发明旨在涵盖各种修改和等效布置。此外，尽管示例性实施方案的各种要素以各种组合和构造显示，但包括更多、更少或仅单个要素的其它组合和构造也在本发明的实质和保护范围内。

Claims

1.一种在SiC单晶基底上生长p型SiC半导体单晶的方法，该方法使用其中C溶解在Si熔体中的溶液，其特征在于包括：

将Al和N添加到其中C溶解在Si熔体中的第一溶液中，使得添加的Al的量大于添加的N的量，由此制备第二溶液；和

由所述第二溶液在SiC单晶基底上生长所述p型SiC半导体单晶。

2.根据权利要求1的方法，其中通过使所述SiC单晶基底与所述第二溶液接触而生长所述p型SiC半导体单晶。

3.根据权利要求1或2的方法，其中由N₂的气氛将N添加到所述第一溶液中，以提供所述第二溶液。

4.根据权利要求1或2的方法，其中在Ar和N₂的混合气氛中生长所述p型SiC半导体单晶。

5.根据权利要求4的方法，其中所述混合气氛中N的浓度小于10％。

6.根据权利要求4的方法，其中所述混合气氛中N的浓度等于或大于2ppm。

7.根据权利要求6的方法，其中所述混合气氛中N的浓度为100ppm。

8.根据权利要求1或2的方法，还包括：

还将过渡金属添加到所述第二溶液中。

9.根据权利要求8的方法，其中所述过渡金属是Cr。

10.根据权利要求9的方法，其中以Si、Al和Cr的原子百分比计，添加的Cr的量为40原子％。

11.一种通过如权利要求9所述的方法生长的p型SiC半导体单晶，其含有1×10²⁰cm^-3的Al、2×10¹⁸至7×10¹⁸cm^-3的N和1×10¹⁷cm^-3的Cr作为杂质。

12.根据权利要求8的方法，其中所述过渡金属是Ti。

13.根据权利要求12的方法，其中以Si、Al和Ti的原子百分比计，添加的Ti的量为20原子％。

14.一种通过如权利要求12所述的方法生长的p型SiC半导体单晶，其含有1×10²⁰cm^-3的Al、2×10¹⁸至7×10¹⁸cm^-3的N和4×10¹⁶cm^-3的Ti作为杂质。

15.一种通过如权利要求1或2所述的方法生长的p型SiC半导体单晶，其含有1×10²⁰cm^-3的Al和2×10¹⁸至7×10¹⁸cm^-3的N作为杂质。

16.一种生长p型SiC半导体单晶的方法，其特征在于包括：

将C、Al和N添加到Si熔体中，使得添加的Al的量大于添加的N的量，由此制备溶液；和

由所述溶液在所述SiC单晶基底上生长所述p型SiC半导体单晶。

17.一种通过如权利要求16所述的方法生长的p型SiC半导体单晶，其含有1×10²⁰cm^-3的Al和2×10¹⁸至7×10¹⁸cm^-3的N作为杂质。