专利名称：生长P型SiC半导体单晶的方法和P型SiC半导体单晶的制作方法
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η型和P 型SiC半导体中，η型半导体目前处于相对先进的开发阶段，而ρ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ρ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10 Ω cm 的电阻率实验值，但通过该方法实际制成的商品具有200Qcm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. 5 Ω cm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102°至IO21CnT3的杂质浓度掺杂时，6H_SiC提供 0. 02Ωαιι 的极低电阻率(“Technology of Semiconductor SiC and Its Application”， Hiroyuki MATSUNAMI 著，2003 年由 Nikkan Kogyo Shimbun 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 and Applications 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η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η型掺杂剂，仅添加N不会产生ρ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ρ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ρ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ρ型SiC半导体单晶，其含有 IX IO20CnT3 的 Al 和 2X IO18 至 7Χ IO18CnT3 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ρ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ρ型SiC半导体单晶。在本发明的第一方面的方法中，将作为ρ型掺杂剂的Al和作为η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η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—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ρ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ρ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
4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IOOppm 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°C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 Γ l)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。Γ 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0.7 Ω cm，其低于通过传统升华法实现的1至5 Ω cm，但仍高于作为适合实际应用的水平的0. 5 Ω cm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. 5 Ω cm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. 25 Ω cm,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. 03 Ω cm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. 07 Ω cm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禾口 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 lOOppm，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/A1等于或大于2 % (N/A1彡2 % )且Al浓度在等于或大于1 X IO18CnT3 (Al彡1 X 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 2X1016cm_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lX102°cm_3的Al以2 X IO18CnT3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IX IO18CnT3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。
权利要求
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熔体中的第一溶液，包括将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；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至3任一项的方法，其中在Ai^PN2的混合气氛中生长所述ρ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或5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lOOppm。
8.根据权利要求1至7任一项的方法，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.根据权利要求8的方法，其中所述过渡金属是Ti。
12.根据权利要求11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％。
13.—种生长ρ型SiC半导体单晶的方法，包括将C、A1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ρ型SiC半导体单晶。
14.一种通过如权利要求1至13任一项所述的方法生长的ρ型SiC半导体单晶，其含 有IX IO20CnT3的Al和2 X IO18至7 X IO1W3的N作为杂质。
15.一种通过如权利要求9或10所述的方法生长的ρ型SiC半导体单晶，其含有 IXlO20Cnr3 的 Al、2X IO18 至 7X IO18CnT3 的 N 和 IX IO17CnT3 的 Cr 作为杂质。
16.一种通过如权利要求11或12所述的方法生长的ρ型SiC半导体单晶，其含有 IX IO20CnT3 的 Al、2X IO18 至 7X IO18CnT3 的 N 和 4X IO1W3 的 Ti 作为杂质。
全文摘要
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。
文档编号C30B29/36GK101932757SQ200980103467
公开日2010年12月29日 申请日期2009年1月28日 优先权日2008年1月29日
发明者关章宪, 藤原靖幸 申请人:丰田自动车株式会社