SiC單晶生長動力學(xué)模型和缺陷形成機制的研究

1、SiC單晶生長動力學(xué)模型和缺陷形成機制的研究徐偉，劉雪絞太原理工大學(xué)理學(xué)院，山西太原（030024）摘 要：近年來大直徑SiC單晶體的生長是國內(nèi)外研究的重點，SiC是一種寬帶隙半導(dǎo)體材料、第三代半導(dǎo)體材料的代表。物理氣相傳輸法（PVT）是生長SiC單晶的主要生長方法，在整個SiC生長體系中，Si、SiC2、Si2C是主要的氣相物種，它們的平衡分壓直接決定了SiC單晶生長的速率，本文由此提出了SiC生長的動力學(xué)模型，并進行了數(shù)值分析。討論了影響SiC晶體生長速率的因素和晶體缺陷形成的機制。關(guān)鍵詞：SiC；PVT；動力學(xué)模型；缺陷1. 引言隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，以Si基器件為代表的半導(dǎo)體器件已經(jīng)受

2、到了碳化硅基器件的挑戰(zhàn)。碳化硅單晶作為寬禁帶半導(dǎo)體材料代表是國內(nèi)外研究的熱點晶體材料，由于其具有寬禁帶、高擊穿電場、高熱導(dǎo)率和高飽和電子漂移速率，所以這些特點正是高溫、大功率、低損耗器件所需要的。并且，碳化硅是用來制作光電子器件最有前景的半導(dǎo)體材料之一。但是SiC單晶體不能經(jīng)過熔融法來形成。自20世紀(jì)70年代以來，基于改進型的Lely方法的升華生長技術(shù)也就是物理氣相傳輸法（PVT）來獲得的SiC單晶1,2,3。生長原理：高純SiC粉源在高溫下分解形成氣態(tài)物質(zhì)，主要為Si、SiC2、Si2C，這些氣態(tài)物質(zhì)在過飽和度的驅(qū)動下，升華至冷端的籽晶處進行生長，過飽和度是由籽晶和粉源之間的溫度梯度所引起的

3、。由于整個過程不是簡單的升華凝結(jié)，并且SiC生長的條件極其苛刻，整個生長過程不能用肉眼直接觀測，所以對SiC單晶生長的熱力學(xué)過程以及其生長速率進行合理的數(shù)學(xué)建模和數(shù)值計算是很有必要的4。2. PVT法生長SiC單晶的生長設(shè)備現(xiàn)在常用的SiC單晶體的生長設(shè)備是中頻感應(yīng)加熱單晶爐，工作頻率一般是10kHz。外圍的方框代表電磁感應(yīng)加熱線圈，由外向內(nèi)依次是石英管，隔熱材料，坩堝。坩堝一般使用高純、高密度、各向同性石墨。籽晶置于坩堝的蓋上，原料可使用高純SiC粉末放在坩堝底部。有上下兩個測溫窗口，用紅外測溫計測定坩堝頂部和底部的溫度，從而估計生長腔的溫度梯度。生長腔內(nèi)盡量除去雜質(zhì)，生長開始前要先抽真空，

4、對于外加Ar氣也要處理，除去其中的O2、CO、CO2、N2等雜質(zhì)氣體5,6。用PVT法生長SiC晶體的示意圖如圖所示：- 1 -圖1 碳化硅晶體生長爐構(gòu)造Fig.1. Configuration of the SiC crystal growth furnace3. SiC單晶生長動力學(xué)模型建立上圖為PVT 法生長SiC 單晶的典型系統(tǒng)。就此提出一個簡單的靜態(tài)動力學(xué)模型。在這個模型中，定義物質(zhì)傳輸距離L為粉源上表面到籽晶表面的距離。在實際的生長過程中，SiC 粉源首先從粉源的底部位置開始揮發(fā)，因此實際的物質(zhì)傳輸距離應(yīng)該為粉源底部到籽晶表面的距離。本模型中定義揮發(fā)面為未揮發(fā)的粉料與揮發(fā)剩余的殘余

5、碳的交界面。忽略SiC粉源下表面和上表面之間的距離，并且忽略隨著生長的進行，籽晶表面和揮發(fā)面之間距離的變化7。SiC單晶生長是在高溫環(huán)境中進行的，原料與籽晶之間的溫度差異是晶體升華的驅(qū)動8力，生長時石墨坩堝底部的高純SiC粉源在高溫下分解。4SiC升華過程中主要包含的蒸氣為Si、SiC2、Si2C等，此過程中主要化學(xué)反應(yīng)如下：SiC(s)Si(l)+C(s) （1）SiC(s)Si(g)+C(s) （2）2SiC(s)Si2C(g)+C(s) （3）2SiC(s)SiC2(g)+Si(g) （4）SiC(s)SiC(g) （5）以上化學(xué)反應(yīng)中，在籽晶處以2SiC(s)SiC2(g)+Si(g)

6、和SiC(s)SiC(g)為主，假設(shè)在籽晶生長表面處Si蒸氣和SiC2蒸氣具有相同的傳輸速率，忽略反應(yīng)物種之間的相互分子作用,所有從揮發(fā)點到籽晶表面的物質(zhì)傳輸(Si、SiC2和Si2C)全部轉(zhuǎn)化為SiC晶體在平衡氣相條件下,根據(jù)Hertz-Knudsen 方程得出氣相的理論傳輸速度4,8,9：J=pSiC2SiCJ（SiC氣相的摩爾流量）、MSiC（SiC的摩爾質(zhì)量）、R（摩爾氣體常量）、PSiC為SiC- 2 -氣相的平衡分壓、T（溫度）。由此根據(jù)Hert-Knudsen公式以及反應(yīng)方程式可知決定SiC單晶生長速率的是SiC2過飽和度8，即可以得出SiC晶體的生長速率為10,11,12：GS

7、iC=2MSiCSiCSiCpSiC(L)pSiC(L) 222SiC=21 2SiC2PSiC2=exp(ab/T)a=30.77,b=6.71×104上式中的L表示位置，在這里我們設(shè)籽晶表面位置為L，而粉源表面位置為0。PSiC2為實際壓力，PSiC2為平衡分壓。氣相從粉源到籽晶的傳輸由自然對流和平流組成，其中平流為主要的途徑，對流則可以忽略。因此，在這里我們也僅考慮平流傳輸用下式計算PSiC2平衡分壓137。 ：（單位為Pa）lgPSiC23.5397×104(L)=10.6352 T由此可得PSiC2平衡分壓隨溫度變化如圖所示Y SiC2 PaX T/K圖2 SiC

8、2平衡分壓Fig.2. the equilibrium partial pressure of SiC2由以上幾個公式可計算出SiC的生長速率。- 3 -Y 祄/hrX T/K圖3 SiC生長速率4. SiC單晶的缺陷形成機制SiC單晶中主要問題就是大量結(jié)構(gòu)缺陷的產(chǎn)生，比如，微管、小角度晶界等。微管是影響SiC器件使用的主要障礙，它滲透貫穿了整個晶體。形成微管的原因是多方面的，生長過程中由于硅滴以及碳顆粒在籽晶上的沉積，以及高密度的螺形位錯。Takahashi等力學(xué)勢壘阻止微管的離解。SiC單晶生長需要控制的工藝因素主要包括生長腔內(nèi)溫度、溫度梯度、惰性氣體（主要是Ar）壓力以及單晶生長面和Si

9、C粉源之間的間距，其中惰性氣體壓力的選擇與控制直接關(guān)系到單晶生長速率的大小和穩(wěn)定性問題，生長速率不合適以及穩(wěn)定性差，是誘發(fā)形成微管的原因。 14認(rèn)為螺旋生長機制在微管的離解過程中起著重要作用，微管之所以能穩(wěn)定存在，是因為有較大的動5. 結(jié)論SiC晶體生長的速度與生長腔內(nèi)的溫度梯度和各氣相物種的平衡分壓有關(guān)，合理調(diào)節(jié)這幾個因素可以較好地控制晶體生長速度和晶體質(zhì)量。同時由于籽晶的選取、坩堝的石墨化度等都直接影響到晶體中缺陷的形成，實驗已經(jīng)證實，在生長過程中使用與基本面（0001）垂直的生長面的籽晶可以較好地抑制螺位錯和微管等缺陷的產(chǎn)生參考文獻3WANG Qiang, LI Yu-guo, SHI

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11、ion and Control of SiC bulk Single Crystal Growth, Weierstrass Institute for Applied Analysis and Stochastics, Berlin13劉軍林,高積強,程基寬,楊建峰,喬冠軍,坩堝石墨化對SiC單晶生長的影響,稀有金屬材料與工程,2005,12(34): 1944-194914 TAKAHASHI J , OHTANI N , KANAYA M. Structural defectsin -SiC single crystals grown by the modified2Lely metho

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13、 recent years, much attention focused on the growth of silicon carbide(SiC)single crystal with large diameter. As a wide band-gap semiconductor material，sillicon carbide is an excellent material. Physical vapor transport (PVT) is a method of SiC single crystal growth. In the growth system, the vapor phase consist of the three reactive species namely Si, SiC2 , and Si2C .These equilibrium partial pressures determine the rate of SiC crystal growth . On the basis of this theory, we built a kinetic model of SiC crystal growth. and analysis it by a mathematics method