钒不占主导的半绝缘碳化硅的制作方法

专利名称：钒不占主导的半绝缘碳化硅的制作方法
技术领域：
本发明涉及生长用于专用目的的、高质量碳化硅晶体，并且特别地，涉及在微波器件中有用的、高质量半绝缘碳化硅衬底的生产。本发明是在空军合同号No.F33615-95-C-5426下完成的。所以，政府在本发明中也有一定的权利。
背景技术：
术语“微波”指频率在大约是0.1吉赫兹(GHz)到1,000GHz的范围内的电磁波能量，其相应的波长是从大约300厘米到大约0.3毫米。虽然“微波”对非技术人员来说，最广泛地联想到的是烹调设备，但是那些对电子器件非常熟悉的技术人员来说，他们会认识到微波频率可以用于电子领域内的很多方面并且也可以用于相应的电子器件中，包括各种通信器件，相关的电路部件和操作相关电路部件的电路中。与很多其它半导体电子器件和所产生的电路类似，一个器件(或者电路)是否具有特定所希望的或者必需的性能特性在很大程度上，并且通常完全取决于制造这个器件或者电路的材料。一个合适的用于制造微波器件的候选材料是碳化硅，在具有一个非常高电击穿场的微波应用中碳化硅有很好的优势。碳化硅的这个特性就可以允许金属氧化物半导体场效应晶体管(MESFET)的工作漏电极电压比用砷化镓材料(GaAs)所制造的场效应晶体管的工作漏电极电压高10倍。
另外，碳化硅的一个重要优势是其热传导率是4.9瓦每开尔文度每厘米(W/K-cm)，这个值比硅的热传导率高3.3倍，并且比砷化镓或者蓝宝石的热传导率高10倍。从栅极外围设备的测量角度来说，这些特性使碳化硅具有一个高的功率密度，其单位是瓦每毫米(W/mm)，并且从电路芯片面积来说，也使碳化硅具有极高的功率处理能力(W/mm)。对高功率，高频率应用来说，这是特别有利的，因为波长会对器件芯片面积产生限制作用。所以，因为碳化硅在任何给定频率上均具有优异的热性能和电气特性，所以用碳化硅材料做制造的MESFET应能够处理的功率将至少是用砷化镓材料制造的器件所处理功率的5倍。
如对微波器件很熟悉的技术人员将认识到的，微波器件经常需要高电阻率(“半绝缘”)衬底以用于进行耦合连接，因为导电的衬底将在微波频率产生很严重的问题。如这里所使用的，术语“高电阻率”和“半绝缘”可以在大多数情形下被认为是同义词。一般来说，这两个术语均描述了其电阻率大约大于1500欧姆-厘米(Ω-cm)的一种半导体材料。
对在通信器件中广泛使用的并且一般需要高电阻率衬底的单片微波集成电路(MMIC)来说，例如寻呼机和蜂窝电话，这样的微波器件是特别重要的。所以，对微波器件衬底描述了下面的特性这个晶体的质量必须很高，它适合高复杂程度的、高性能的电路部件，具有好的热传导性能，在器件之间和对衬底具有好的电气隔离，其电阻损耗特性很低，其串扰特性低，其晶片直径大。
如果碳化硅的带隙很宽(在温度为300K下，碳化硅4H中的能级差为3.2eV)，理论上，这样的半绝缘特性是可以获得的。结果，一个合适的高电阻率碳化硅衬底就能够允许电源和无源器件被放置在相同的集成电路(“芯片”)上，这样，就减小了这个器件的尺寸，而同时增加了其性能和效率。碳化硅也提供其它令人满意的质量，包括能够在高温下进行工作而不会发生物理的、化学的或者电气击穿。
但是，如对碳化硅材料很熟悉的技术人员将认识到的，大多数技术所生长的碳化硅材料通常具有太好的导电性能，而不能够用于这些目的。特别地，在碳化硅材料中的极小浓度的氮或者非故意掺杂的氮浓度就能够在升化的被生长晶体中具有足够高的浓度(1-2×1017cm-3)来提供足够的导电率，从而导致这样的碳化硅材料不能够被用于微波器件中。
近年来已经进行了很多努力，通过添加一个p型(即受主)掺杂物质，例如硼，来补偿氮的有效电平。但是，实际上，使用硼来获得高电阻率的、基于碳化硅的器件在高工作功率下的性能非常差。另外，与某些其它元素相比，硼很容易在碳化硅材料中进行扩散，这就使它很可能会移动到相邻的器件层中并且无意识地影响它们。
为了能够特别有用，用碳化硅材料制造的器件的衬底的电阻率至少应为1500欧姆-厘米(Ω-cm)，以实现RF无源性能。另外，为了即将器件传输线路损耗降低到一个可接受的程度，0.1dB/cm，或者更小，其电阻率需要为5000欧姆-厘米(Ω-cm)或者更高。为了对器件进行绝缘并且为了减小背栅效应，半绝缘碳化硅的电阻率应达到50,000欧姆-厘米(Ω-cm)的范围或者更高。本发明工作趋向于宣称，一个碳化硅衬底的半绝缘性能是在碳化硅的带隙内很深能级的结果；即，这些能级离价带和导带的距离比p型掺杂物质和n型掺杂物质所产生的能级离价带和导带的距离远得多。这些“深”能级被认为包括离导带或者价带边缘至少300meV远的状态，例如代表了目前该领域内传统认识的美国专利号No.5,611,955。根据这个’955专利，通过控制在碳化硅中对被选择元素的引入，例如过渡金属或者钝化元素，例如氢，氯或者氟，或者这些元素的组合，来形成碳化硅中心的深能级，就可以在在碳化硅中产生在价带和导带之间的深能级；例如，第3栏第37-53行。也可以看作者为Mitchel，在1998年6月出版的The 1.1 eV Deep Level in 4H-SiC.SIMC-X，Berkley CA；作者为Hobgood的，Semi-Insulating GH-SiC Grown by Physical VaporTransport，Appl.Phys.Lett.(应用物理快报)Vol.66，No.11(1995)；WO95/04171作者为Sriram的RF Performance of SiCMESFET on High Resistivity Substrates，IEEE Electron DeviceLetters(IEEE电子装置快报)，Vol.15，No.11(1994)；作者为Evwaraye的Examination of Electrical and Optical Properties ofVanadium in Bulk n-type Silicon Carbide，J.Appl.Phys.(应用物理学报)76(10)(1994)；作者为Schneider的Infrared Spectraand Electron Spin Resonance of Vanadium Deep Level Impuritiesin Silicon Carbide，Appl.Phys.Lett.(应用物理快报)56(12)(1990)；和作者为Allen的Frequency and Power Performanceof Microwave Sic FET’s，Proceedings of International Conferenceon Silicon Carbide and Related Materials 1995(碳化硅和相关材料国际会议论文集1995)，Institute of Physics。
另外，从传统的技术角度来看，通过在高纯度碳化硅的高温升华器件或者化学汽相沉积(CVD)生长期间引入这些元素，就可以包括这些深能级的元素杂质(也称作深能级陷阱元素)。特别地，钒被认为是用于这个目的的一个理想过渡元素。根据这个’955专利和类似的技术，钒补偿了这个碳化硅材料，并且在碳化硅中产生了高电阻率(即半绝缘)的特性。
但是，将钒作为产生半绝缘碳化硅的一个补偿元素而引入时，也产生了特定的缺点。首先，任何掺杂物质，包括钒，的对电气性能有影响的数量将对所产生材料的晶体质量产生负面影响。所以，从这个角度来说，如果钒或者其它元素的数量在许可范围内大大减少甚至消除，所产生材料的晶体质量，其相应的电气性能就将增加。特别地，目前的了解表明，钒产生补偿性能的数量将造成生长缺陷，例如在碳化硅中产生夹杂物质和微管道。
其第二个缺点是，产生补偿作用的数量的钒可以降低成品率，并且增加了生产半绝缘碳化硅衬底的费用。第三，碳化硅或者任何其它半导体元素的提前补偿在某种程度上会产生复杂性，并且是不可预测的，这样，就使制造复杂了，如果可以避免补偿的话，制造复杂性是可望避免的。

发明内容
所以，本发明的一个目的是提供一个半绝缘碳化硅衬底，它能够提供在高频率工作下所需要的和有利的能力，但是却避免了现有材料和技术所产生的缺陷。
本发明使用在室温下其电阻率至少为5000Ω-cm，其深能级陷阱元素的浓度比可检测浓度低或者其浓度不影响这个材料的电气性能的一个半绝缘碳化硅体单晶材料而实现了这个目的。
在另一个方面，本发明是提供一个半绝缘碳化硅体单晶材料的一个方法。这个方法包括在加热时将一个碳化硅粉末源加热到升华，然后将一个碳化硅籽晶维持在比源粉末温度低的一个温度，在这个温度下，从源粉末升华出来的材料将凝结在这个籽晶上；并且继续对这个碳化硅源粉末材料进行加热，直到在这个籽晶上已经生长出一个所希望数量的单晶体材料。这个方法的特征在于在源粉末中的深能级陷阱元素的数量比可检测的浓度低；并且其特征在于在升华生长期间，这个源粉末和这个籽晶分别被保持在足够高的温度下以大大降低氮的数量，否则这个氮将被引入到这个籽晶上生长的体材料中，并且将这个生长体材料中点缺陷的数量增加到可以赋予所产生的碳化硅体单晶体半绝缘特性的程度。
在另一个方面，本发明包括带有根据本发明的半绝缘碳化硅的器件，包括MESFET，特定的MOSFET，和HEMT(高电子迁移率晶体管)。
根据下面的详细描述，并且联系附图，就可以更清楚本发明的前面所描述目的和其它目的与优点，并且也将更清楚实现本发明的方法。


图1到图3是对根据本发明而制造的晶片进行的霍尔效应材料的图。
图4是根据本发明的半绝缘碳化硅的载流子浓度的自然对数对温度的倒数(开尔文度)的图。
图5是根据本发明的半绝缘碳化硅的电阻率的自然对数对温度的倒数的图；图6到图8是与图1到图3所表示的测量相同的测量图，但是是对衬底晶片的不同部分；图9是在图6到图8中所显示的样品的载流子浓度的自然对数对温度倒数的另一个图；
图10是与图6到图8的样品测量相应的、电阻率的自然对数对温度倒数的另一个图；图11到13是与图1到图3和图6到图8一致的另一组图，但是是针对半导电碳化硅测量的不同部分；图14是图11到13中所显示的样品的电阻率的自然对数对温度倒数的另一个图；和图15，16，和17是根据本发明的各种材料样品和现有技术材料样品的二次离子质量能谱仪(SIMS)的图。
实施方式描述在第一实施方式中，本发明是一个半绝缘碳化硅体单晶体材料，其深能级陷阱元素的浓度比这个元素控制该晶体电阻率的浓度低，并且优选地，其浓度比可检测的浓度低。
如这里所使用的，术语“深能级陷阱元素”指元素周期表中的那些元素，当这些元素被作为掺杂物质包括在碳化硅中时，它们所形成的能级的位置在碳化硅的价带和导带之间，并且离导带和价带的距离比更传统的p型掺杂物质或者n型掺杂物质所形成的能级离到导带和价带的距离更远(即，至少300MeV)。如在技术领域和背景技术中所提出的，普通的深能级陷阱元素包括钒和其它过渡元素。
如这里进一步使用的，定义为“比可检测浓度低的”的浓度指元素的存在数量小到不能够被现代复杂的分析技术所检测出来。特别地，因为用于检测小数量元素的较普遍的一个技术是二次离子质谱分析仪(“SIMS”)，这里所指的可检测限制是存在数量比1×1016cm-3低(1E16)的，或者在其它情形下，比大约1E14低的这些元素，例如钒和其它过渡元素的数量。这两个数量表示使用SIMS技术时，对大多数跟踪元素(特别是钒)的典型可检测限制；例如，SIMS理论-灵敏度和检测局限，Charles Evans & Associates(1995)，WWW.ces.com。
如上面所描述的，钒(V)是用于在碳化硅材料中产生深能级陷阱的较普遍使用的元素。所以，本发明的特征在于或者没有这个钒元素，或者如果有钒元素，钒元素的存在数量也比明显影响晶体电阻率的数量低，并且优选地，比可以被SIMS所能够检测的数量低。
虽然也可以使用其它的晶型结构(即，晶体结构)，但是，根据本发明这个实施方式的碳化硅单晶体优选地具有从包括3C，4H，6H和15R晶型结构的组中选择出来的晶型结构。
另外，为了避免碳化硅中存在氮时所带来的问题，并且也避免需要补偿氮的必要性，根据本发明这个实施方式的碳化硅单晶体中氮的浓度优选地低于大约1×1017cm-3(1E17)。更优选地，根据本发明的这个碳化硅半绝缘单晶体中氮的浓度是5E16或者更低。因为钒元素的浓度比较低以致不能够影响这个晶体的电气特性，并且优选地，比能够被二次离子质谱分析仪所检测出来的浓度还低，所以，相应地，钒元素的浓度低于每立方厘米1E16个原子，并且更优选地，比每立方厘米1E14个原子还低。另外，所产生的体碳化硅单晶体在室温下的电阻率优选为至少10,000Ω-cm，并且更优选地，其在室温下的电阻率至少为50,000Ω-cm。
为了提供用于高频率MESFET的半绝缘碳化硅衬底，因为4H晶型结构的体电子迁移率比较高，所以优选这个结构。对其它器件来说，可以优选其它类型的晶型结构。所以，本发明的一个更优选实施方式之一是一个4H碳化硅的半绝缘体单晶体，其在室温下的电阻率至少为10,000Ω-cm，其钒元素的浓度低于1E14。
在另一个实施方式中，本发明包括了一个用于产生半绝缘碳化硅体单晶体的方法。在这个实施方式中，这个方法包括将一个碳化硅源粉末加热到升华状态，而同时对一个碳化硅籽晶进行加热并且维持在比源粉末温度低的一个温度，在这个温度下，从这个源粉末升华出来的物质凝结在这个籽晶上。其后，这个方法包括继续对这个碳化硅源粉末进行加热，直到在这个籽晶上已经生长出所希望数量的单晶体体材料。这个方法的特征在于(1)在源粉末中的深能级陷阱元素的含量(如上面所描述的)比相关含量低，(2)这个源粉末包括5E16的氮元素或者更少量的氮元素，和(3)在升华生长期间，这个源粉末和这个籽晶分别被维持在相应的温度下，这些温度足够高以致能够大大减少氮元素的含量，否则氮元素将被包括在生长在籽晶上的体材料中，并且将在这个籽晶上生长的体材料中的点缺陷的数量(有时被称作内在点缺陷)增加到能够改变所产生碳化硅体单晶体半绝缘特性。优选地，并且在概念上，通过使氮元素或者其它掺杂元素的含量尽可能地低，使这个晶体半绝缘所需要的点缺陷数量也可以被减小到最小。目前，点缺陷的优选数量范围为1E15到5E17。
虽然本发明人不希望局限于任何特定的理论，但是，出现在碳化硅中的、赋予其半绝缘特性的深陷阱看起来是产生于空位，填隙原子或者其它内在点缺陷，而不是由于存在钒元素，其它过渡元素，或者其它元素而产生的。为了生产根据本发明的半绝缘碳化硅，所使用的这个源粉末必须不包括钒元素，或者如果包括了钒元素，钒元素的含量也必须比可检测浓度低。如上面所描述的，可检测的浓度典型地是可以被使用SIMS而检测到的浓度值。换句话说，在这个源粉末中的钒元素的含量优选比每立方厘米1E16个原子低，并且更优选地，比每立方厘米1E14个原子低。
根据本发明，已经进一步发现，在所产生的体晶体材料中的氮元素的含量可以被减少，其减少不仅可以通过使用在现有技术中所指的高纯技术(作为本发明技术的一部分，这个技术在某种程度上是可以被接受的)，而且也可以通过在相对较高的温度下进行升华过程，而将这个籽晶的温度，和这个籽晶上的任何体材料的生长温度保持在比这个源粉末温度低的一个温度。用于升华生长的一个优选技术(不是如这里所描述的被改进了的技术)被在美国专利No.RE 34,861中所提出，这个专利的内容全部引入本文用作参考(“861专利”)。
这个升华过程是在一个合适的坩埚中被执行的，如’861专利中所提出的，这个坩埚通常是用石墨做的。这个坩埚包括一个籽晶支撑器，这两个均被放置在一个升华炉中。在本发明的这个方法中，选择了SiC源粉末，并且对这个源粉末进行提纯以使其氮元素浓度比大约1E17低，更优选地，比大约5E16更低。另外，这个源粉末中钒元素的浓度，或者其它重金属元素或者过渡元素的浓度低到不能够影响所产生晶体的电气特性。这样的含量值包括比SIMS可检测浓度值低的含量，SIMS意味着使用现有技术的SIMS技术，其浓度至少比1E16低，更优选地，比每立方厘米1E14个原子低。优选地，这个源粉末也满足在’861专利中所提出的其它优越特性。
从一个实际的角度来看，可以在源温度为大约2100℃到2500℃内来执行碳化硅升华过程，而籽晶的温度可以成比例地被降低。对这里所描述的材料来说，源温度被保持在从大约2360和2380℃之间，而籽晶的温度被保持在300-350℃的低温度范围内。如对这样的过程和测量所熟悉的技术人员所了解的，所指出的温度与这个系统如何被测量和在哪里被测量相关，并且对不同的系统来说也会略有不同。
因为钒元素已经在现有技术中被选择作为深能级陷阱元素以产生补偿类型的半绝缘碳化硅，因此本发明可以表示为体SiC单晶体，和制造这个单晶体的方法，其中钒元素的含量比可检测和上面所描述的具体含量值低。但是，对碳化硅生长和用于半导体的碳化硅材料的特性很熟悉的技术人员应理解，类似地，本发明也仔细考虑到缺乏产生深能级陷阱的任何其它元素的情形。
通过避免使用元素来产生深能级陷阱，类似地，本发明不需要使用其它元素来补偿这种陷阱元素，相应地，降低了这种补偿在晶体生长过程中所引入的复杂程度。
图1到17显示了根据本发明，在这个半绝缘衬底上所执行的各种测量，并且与更传统的、被补偿的与未补偿碳化硅材料进行了某些比较。
图1到3表示根据本发明，在North Carolina，Durham的CreeResearch公司所生长的一个衬底晶片上所执行的一组相应的测量。如在这里的“试验”部分所提出的，由在Dayton，Ohio的空军研究实验室对这些材料的特性进行了测量。图1绘出了根据本发明的一个半绝缘衬底的载流子浓度对温度的倒数的图(其中载流子浓度的坐标轴为对数坐标)。所产生线的斜率给出了激活能量，它大约是1.1电子伏(eV)。
图2显示了当温度降低时，电阻率增加的图，其曲线与根据本发明的半绝缘材料的其它期待特性一致。
图3表示了迁移率对单位为开尔文温度的图。图4是载流子浓度的自然对数(ln)对温度倒数(开尔文度)的图。如对这些测量很熟悉的技术人员所知道的，载流子浓度的自然对数对温度倒数的斜率给出了激活能量。如图4中的插入框所指出的，根据本发明的这个样品的激活能量的数量级是1.1eV，即，与图1中所显示的结果一致。通过进行比较，并且如对半绝缘碳化硅很熟悉的技术人员所类似了解的，当钒元素被用作深能级陷阱元素时，在相同的条件下，半绝缘碳化硅的激活能量大约是1.6eV。
这个数据是在一个4千高斯的磁场中，对厚度为0.045厘米的一个样品，温度范围为从大约569K到大约1,012K而测量获得的。
图5是电阻率的自然对数对温度倒数(开尔文度)的图。类似地，这个数据和这个图可以被用于决定这个半绝缘碳化硅材料的激活能量。从这个图而决定出来的值，1.05667eV帮助证实了前面所测量的激活能量1.1eV。换句话说，在图4和图5中所测量出来的激活能量的差异是在预期试验限度内，并且这个数据相互进行了验证。
图6到图10表示了与图1到图5相同类型的测量图，但是是对不同的样品而进行的测量图；具体地说，是与图1到图5中被测量的相同晶片上的不同区域部分。相应地，可以看出，图6到图8与从图1到图3中所获得的结果是一致的。更具体地说，图9是载流子浓度对温度倒数的另一个图，图9显示了一个计算出来的激活能量，其值为1.00227eV。另外，这也在前面所测量的1.1eV的试验误差限度内。
使用一个类似的方式，图10描述了电阻率的自然对数对温度倒数的图，并且类似地提供了其值为1.01159的激活能量，类似地，这也是在1.1eV的试验误差限度内。图11到图13显示了从这个晶片的另一个部分所获得的结果，但是与前面的测量结果相比，该值并不太理想。特别地，图11的图没有以一个所希望的方式形成一条直线，并且与前面的测量结果相比，该值也不太理想。类似地，图14是电阻率的自然对数对温度倒数的图，它显示了一个计算出来的激活能量，其值仅为0.63299，这个值与1.1eV的值相差比较大，而这与试验误差无关。
图15，16和17表示了对各种比较用的样品进行的二次离子质谱仪(SIMS)的图，并且趋向于显示在半绝缘碳化硅衬底中的元素不纯性和其它材料。图15是根据本发明的半绝缘碳化硅材料的SIMS谱图，并且证实在这个样品中没有钒元素或者任何其它过渡元素。这证实在本发明中出现的激活能量和深能级不是产生于钒元素或者其它过渡元素。
图16主要是用于进行比较用的，并且是一个碳化硅的一个N-型晶片的SIMS谱图，该碳化硅既不是半绝缘也不是根据本发明而制造的，而是表示一个导电的碳化硅样品。因为没有任何原因需要包括钒元素来制造N-型衬底，所以在质量谱分析中没有发现钒元素。
图17提供了与前面用钒元素进行补偿的半绝缘碳化硅的一个前版本的一个比较图。在这个质量谱中，钒元素的峰值很强，并且其值大约是51个原子质量单位。显而易见地，在图15和图16中均没有出现这个钒元素峰值。
当然，那些对这些材料很熟悉的技术人员将理解，虽然短语“比可检测含量低的一个含量”是对本发明一个完全合适的描述，但是，这些含量也可以被理解为比影响碳化硅晶体的电气特性的含量低的含量，特别是对电阻率的影响。
所以，在另一个方面，本发明包括一个半绝缘碳化硅单晶体，它具有一个浅的施主掺杂物质，浅的受主掺杂物质，和内在的点缺陷。从本发明的这个方面来说，在碳化硅晶体中的浅施主掺杂物质的数量(Nd)比浅受主掺杂物质(Na)的数量大，并且在碳化硅中用作受主的本征点缺陷的数量(Ndl)比这些施主和受主掺杂物质数量之间的数值差异大。进一步从这个角度来说，从包括过渡元素和重金属元素的组中选择出来的元素浓度比将影响这个碳化硅单晶体的电气特性的含量低。所产生的碳化硅单晶体在室温下的电阻率至少为5000Ω-cm。
本发明的这个方面也用于互补的情形，其中受主掺杂原子的含量比施主掺杂原子的含量高。在这样的一个情形下，用作施主的本征点缺陷的数量比在浅施主杂质和浅受主杂质的数量之间数值差异大。
换句话说，浅n-型和p-型掺杂物质通过使一个或者另一个的含量多一特定程度，就可以相互补偿。在这个晶体中被电气激活的本征点缺陷的数量比在这个晶体中比另一个的含量多的n-型或者p-型掺杂物质原子的净含量大。这样可以用一个公式来进行描述，Ndl＞(Nd-Na)其中施主比受主的含量高，或者Ndl＞(Na-Nd)其中受主比施主的含量高。在第一个情形下，根据掺杂物质原子的数量，可以将这个晶体补偿成n-型。但是，这些施主净含量又可以被受主类型的点缺陷补偿来产生这个半绝缘晶体。在第二个情形下，这个点缺陷用作施主类型，并且补偿了这个晶体中的受主的净含量。
如这里所使用的，术语“掺杂物质”可以被从一个广泛的角度来理解；即，描述了在一个晶体晶格中出现的不是硅(Si)或者碳(C)的一个原子，并且这个原子提供了或者是一个额外的电子(一个施主)或者一个额外的空穴(一个受主)。在本发明中，掺杂物质可以是被动的，或者可以是预先准备的；即，术语“掺杂物质”隐含的既不是一个掺杂”步骤，也不是不进行掺杂步骤。
所期望的是，通过用中子，高能量电子，或者伽玛射线来照射碳化硅，从而产生所希望的点缺陷数量来获得与上面所提出公式一致的结果，从而在某种程度上来控制点缺陷的数量。
虽然很难以测量一个精确的点缺陷的数量，如电子顺磁共振(EPR)，深能级瞬态谱分析仪(DLTS)和位置淹灭谱分析仪的技术对所出现的数量给出了最可用的指示。如这里另外所提出的，霍尔效应测量也证实了这个晶体的期望特性。
在另一个方面，本发明可以被包括在有源器件中，特别是在有源微波器件中，这些有源器件利用了半绝缘碳化硅衬底。如上面所提出的并且被对有源半导体微波器件很熟悉的技术人员所理解的，一个微波器件所进行工作的频率将严重受到载流子与衬底的任何交互作用的影响，这与载流子被局限于这个微波器件的一特定信道和其它功能部分的理想情形相反。
根据本发明的碳化硅半绝缘材料的实质是它在合适的器件中具有优异的性能特性。这些包括，但是不局限于MESFET，特定的MOSFET，和如在当前的美国专利和未决的申请Nos.5,270,554；5,686,737；5,719,409；5,831。288；序列号No.08/891,221，这是在97年7月10日提交的；和序列号No.09/082,554，这是在98年5月21日提交的，这两个均是关于“锁存自由功率UMOS双极性晶体管”的；序列号No.08/797,536，这是在97年2月7日提交的，是关于“增加碳化硅功率晶体管的最大电压的结构”的；序列号No.08/795,135，这是在97年2月7日提交的，这是关于“用于降低功率晶体管导通时电阻的结构”的；和国际申请号No.PCT/US98/13003，这是在98年6月23日提交的，(指美国)，是关于“宽带隙半导体的功率器件”的；所有这些专利的内容在这里被完全用作参考。
试验在Dayton，Ohio的空军研究实验室(Wright-Patterson空军基地)，试验高温霍尔效应和SIMS检测了两个半绝缘的SiC晶片。从这两个晶片中的一个中没有获得可以理解的结果(可能是因为不令人满意的欧姆接触而引起的)，但是对第二晶片的两个霍尔样品均给出了相同的结果，这显示这些结果具有合理的可信度。
这两个晶片在室温下均是绝缘的。可测量的晶片在升高的温度下被进行热激活，并且载流子浓度是可以被测量的，因为所涉及高温而产生的低迁移率，半绝缘材料中的载流子浓度并不总是可以被测量的。其载流子浓度在1000K下大约是1015cm-3，而电阻率大约是103Ω-cm。这样的载流子浓度大约比在相同温度下传统的半绝缘材料或者用钒元素进行掺杂的材料中的载流子浓度低1到2个数量级。但是，不能够进行n对1/T的曲线进行拟合，所以该激活层的总浓度仍然不能够被获得。激活能量将大约是1.1eV。
使用一个高分辨率系统对这个样品进行了SIMS分析。除了有某些铜元素与氢靠近检测限度外，就没有看见任何其它的元素，这据猜测是来自质量47峰值的高度。所以，这个质量47峰值是由SiOH产生的。与对这个两个比较性样品进行扫描一起进行的、本发明的质量扫描在这里分别被包括在图18-20中。在图19和20中，钛(Ti)元素的含量在1×1016cm-3附近比较明显，但是在本发明的样品(图18)中不是很明显。钒元素也出现在标准的半绝缘样品(图20)，其中SiOH线表示氢。
从这些结果，第一个晶片被认为是具有非常高纯度的材料，并且也被认为是绝缘的，因为任何残余钒元素杂质与其它缺陷产生了1.1eV，其存在浓度比浅杂质浓度的和还大，所以，这个1.1eV补偿了浅杂质。费米能级被锁定在深能级，这样时这个材料成为半绝缘。如果有的话，出现了氢将意味着，氢补偿在起作用，但是这样并不能够被选择性地补偿或者中和浅杂质，并且不能够补偿深能级。
在这些图和说明中，已经公开了本发明的典型实施方式，虽然已经使用了具体的术语，但是它们仅仅是被以一个一般和描述性的角度来使用，并且不具有任何局限性，本发明的范围在下面的中被提出。
权利要求
1.一种半绝缘碳化硅体单晶材料，在室温下其电阻率至少为5000Ω-cm，其深能级陷阱元素的浓度比影响这种晶体的电气性能的浓度值低。
2.如权利要求1的半绝缘碳化硅体单晶材料，其中碳化硅单晶体具有选自3C，4H，6H和15R的晶型结构。
3.如权利要求1的半绝缘碳化硅体单晶材料，碳化硅单晶体中氮原子的浓度低于大约1×1017cm-3。
4.如权利要求1的半绝缘碳化硅体单晶材料，其中氮的浓度是5×1016cm-3或者更低。
5.如权利要求1的半绝缘碳化硅体单晶材料，其中深能级陷阱元素的浓度比能够被二次离子质谱分析仪(SIMS)所检测出来的浓度还低。
6.如权利要求1的半绝缘碳化硅体单晶材料，其中钒元素的浓度比能够被二次离子质谱分析仪(SIMS)所检测出来的浓度还低。
7.如权利要求1的半绝缘碳化硅体单晶材料，其中钒元素的浓度低于1×1016cm-3。
8.如权利要求1的半绝缘碳化硅体单晶材料，其中钒元素的浓度低于1×1014cm-3。
9.如权利要求1的半绝缘碳化硅体单晶材料，在室温下其电阻率为至少10,000Ω-cm。
10.如权利要求1的半绝缘碳化硅体单晶材料，在室温下其电阻率为至少50,000Ω-cm。
11.晶体管，具有包括根据权利要求1的体单晶体的衬底。
12.如权利要求11的晶体管，是从包括下面的组中选择出来金属半导体场效应晶体管，金属绝缘体场效应晶体管，和高电子迁移率的晶体管。
13.用于生产半绝缘碳化硅体单晶体的方法，该方法包括将碳化硅源粉末加热到升华状态，这个碳化硅源粉末中的深能级陷阱元素的含量比可检测浓度值低，而同时，对一个碳化硅籽晶进行加热并且维持在比源粉末温度低的一个温度，在这个温度下，从这个源粉末升华出来的物质凝结在这个籽晶上；和继续对这个碳化硅源粉末进行加热，直到在这个籽晶上已经生长出所希望数量的单晶体体材料；和同时在升华生长期间，这个源粉末和这个籽晶分别被维持在相应的温度下，这些温度足够高以致能够明显减少氮元素的含量，否则氮元素将被包括在生长在籽晶上的体材料中，并且将在这个籽晶上生长的体材料中的点缺陷的数量增加到能够赋予所产生碳化硅体单晶体半绝缘性质。
14.如权利要求13的方法，其中在源粉末中的钒元素的含量比可检测含量低。
15.如权利要求13的方法，其中在源粉末中的钒元素含量低于1×1016cm-3。
16.如权利要求13的方法，其中在源粉末中的钒元素含量低于1×1014cm-3。
17.如权利要求13的方法，其中源粉末中的过渡元素的含量低于1×1014cm-3。
18.半绝缘碳化硅单晶体，包括在所述碳化硅单晶体包括一个浅的施主掺杂物质，浅的受主掺杂物质，和本征点缺陷；其中第一导电类型的浅掺杂物质数量比第二导电类型的浅掺杂物质的数量高；和在所述碳化硅材料中用作对主要第一类型掺杂物质进行补偿的本征点缺陷的数量大于所述第一类型浅掺杂物质与所述第二类型浅掺杂物质的数值差异；和选自过渡元素和重金属元素的元素浓度比将影响这个碳化硅单晶体的电气特性的含量低；所述碳化硅单晶体在室温下的电阻率至少为5000Ω-cm。
19.如权利要求18的半绝缘碳化硅晶体材料，其中所述第一类型掺杂物质是施主，所述第二类型掺杂物质是受主，所述本征点缺陷用作受主。
20.如权利要求18的半绝缘碳化硅晶体材料，其中所述第一类型掺杂物质是受主，所述第二类型掺杂物质是施主，所述本征点缺陷用作施主。
21.如权利要求18的半绝缘碳化硅晶体材料，其中碳化硅单晶体具有选自3C，4H，6H和15R的晶型结构。
22.如权利要求18的半绝缘碳化硅晶体材料，其中氮的浓度是5×1016cm-3或者更低。
23.如权利要求18的半绝缘碳化硅晶体材料，其中钒元素的浓度比能够被二次离子质谱分析仪(SIMS)所检测出来的浓度还低。
24.如权利要求18的半绝缘碳化硅晶体材料，其中钒元素的浓度低于1×1014cm-3。
25.如权利要求18的半绝缘碳化硅晶体材料，在室温下其电阻率为至少10,000Ω-cm。
26.如权利要求18的半绝缘碳化硅晶体材料，在室温下其电阻率为至少50,000Ω-cm。
27.晶体管，具有包括根据权利要求18的体单晶体的衬底。
28.如权利要求27的晶体管，它选自金属半导体场效应晶体管，金属绝缘体场效应晶体管，和高电子迁移率的晶体管。
29.半绝缘碳化硅单晶体，其氮原子浓度为5×1016cm-3或者更少，并且点缺陷浓度比氮原子浓度大，但是比开始严重降低这个晶体的热传导性能和其它期望特性时的浓度值低。
30.如权利要求29的半绝缘碳化硅体单晶体材料，在室温下其电阻率至少为5000Ω-cm，其深能级陷阱元素的浓度比影响这个材料的电气性能的浓度值低。
31.如权利要求29的半绝缘碳化硅单晶体材料，其中碳化硅单晶体具有选自3C，4H，6H和15R的晶型结构。
32.如权利要求29的半绝缘碳化硅单晶体材料，其中深能级陷阱元素的浓度比能够被二次离子质谱分析仪(SIMS)所检测出来的浓度还低。
33.如权利要求29的半绝缘碳化硅单晶体材料，其中钒元素的浓度比能够被二次离子质谱分析仪(SIMS)所检测出来的浓度还低。
34.如权利要求29的半绝缘碳化硅单晶体材料，其中钒元素的浓度低于1×1016cm-3。
35.如权利要求29的半绝缘碳化硅单晶体材料，其中钒元素的浓度低于1×1014cm-3。
36.如权利要求29的半绝缘碳化硅单晶体材料，在室温下其电阻率为至少10,000Ω-cm。
37.如权利要求29的半绝缘碳化硅体单晶材料，在室温下其电阻率为至少50,000Ω-cm。
38.如权利要求29的半绝缘碳化硅体单晶材料，其中点缺陷的浓度不超过5×1017cm-3。
39.晶体管，具有包括根据权利要求29的体单晶体的衬底。
40.如权利要求39的晶体管，它选自金属半导体场效应晶体管，金属绝缘体场效应晶体管，和高电子迁移率的晶体管。
41.一个用于生产高电阻率碳化硅单晶体衬底的方法，这个方法包括对碳化硅单晶体进行照射，其中，单晶体中深能级陷阱元素的浓度比影响所述碳化硅单晶体材料的电气特性的浓度值低，所述照射源选自中子，电子，和伽玛射线源，和直到晶体中的补偿点缺陷的数量比第一导电类型的主要掺杂原子与晶体中另一个导电类型的掺杂原子的数量差值更大。
42.如权利要求41的方法，包括照射一个碳化硅单晶体，其中碳化硅单晶体具有选自3C，4H，6H和15R的晶型结构。
43.如权利要求41的方法，包括照射一个碳化硅单晶体，其中碳化硅单晶体中氮原子的浓度低于大约1×1017cm-3。
44.如权利要求41的方法，包括照射如权利要求1的碳化硅单晶体，其中碳化硅单晶体中氮的浓度是5×1016cm-3或者更低。
45.如权利要求41的方法，包括照射碳化硅单晶体，其中碳化硅单晶体中深能级陷阱元素的浓度比能够被二次离子质谱分析仪(SIMS)所检测出来的浓度还低。
46.如权利要求41的方法，包括照射一个碳化硅单晶体，其中碳化硅单晶体中钒元素的浓度比能够被二次离子质谱分析仪(SIMS)所检测出来的浓度还低。
47.如权利要求41的方法，包括照射一个碳化硅单晶体，其中碳化硅单晶体中钒元素的浓度低于1×1016cm-3。
48.如权利要求41的方法，包括照射一个碳化硅单晶体，其中碳化硅单晶体中钒元素的浓度低于1×1014cm-3。
全文摘要
公开了一个半绝缘碳化硅体单晶材料,在室温下其电阻率至少为5000Ω－cm,其深能级陷阱元素的浓度比影响这个材料的电阻率的浓度值低,优选地比可检测浓度低,也公开了形成这个晶体的一个方法,和某些产生的器件,这些器件利用了使用根据本发明衬底而形成的微波频率能力。
文档编号C30B23/00GK1351680SQ00807706
公开日2002年5月29日 申请日期2000年5月17日 优先权日1999年5月18日
发明者C·H·小卡特, M·布拉迪, V·F·茨维特科夫 申请人:克里公司