碳化硅晶体生长用助熔剂、立方碳化硅晶体及其生长方法与流程

本发明涉及晶体生长，特别是涉及一种碳化硅晶体生长用助熔剂、立方碳化硅晶体及其生长方法。

背景技术：

1、sic作为第三代宽禁带半导体材料具有禁带宽度大、临界击穿场强高、饱和电子速度高、热导率高、化学性能稳定等优异的物理性能，是制备高温、高频、大功率半导体器件的理想材料，广泛应用于新能源汽车、5g通讯、航空航天等领域，填补了传统半导体器件在实际应用中的不足。现有sic晶体的生长方法主要有物理气相传输法（pvt法），高温化学气相沉积法（htcvd）和溶液生长法（也叫助熔剂法）。其中，pvt法技术比较成熟，是目前工业上生长sic晶体的主流方法。但该方法生长温度和能耗都较高，且生长出的晶体通常伴随着微观等缺陷，晶体良率较低。htcvd法生长sic晶体温度较低且相对更易于控制，但其生长速率较慢，晶体尺寸较小，不适合大规模产业化需求。相比较下，溶液法生长sic晶体是一种接近于热力学平衡状态下进行的晶体生长方法，其生长出的晶体具有较低的缺陷密度，能有效避免pvt法生长sic晶体时存在的微观缺陷，但c在si熔体中的溶解度极低，简单的依靠si-c熔体进行sic晶体的生长速度慢。现有技术通过加入助熔剂（cr、fe、co、ti、sc、al、mn以及稀土元素(la、ce、pr、tb、dy)等提高c在si熔体中的溶解度。然而采用上述助熔剂时，si熔体中的c的溶解度仍然非常有限，无法满足大规模产业化需求。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的一个或者多个技术问题，本发明提供了一种碳化硅晶体生长用助熔剂、立方碳化硅晶体及其生长方法，本发明提供的助熔剂可以降低碳化硅晶体的生长的温度，实现低温下碳化硅晶体的生长，同时可以增加碳在硅熔体中的溶解度，提高晶体生长前期硅熔体中碳的浓度，可实现在更短的时间得到高质量、大尺寸的碳化硅晶体。

2、本发明在第一方面提供了一种碳化硅晶体生长用助熔剂，所述助熔剂为包含稀土金属、过渡金属和碳的合金；

3、所述稀土金属与所述过渡金属的摩尔比为1:9~9:1。

4、优选地，所述稀土金属与所述过渡金属的摩尔比不小于7:3；

5、所述稀土金属为镧系金属，优选为la、ce、pr中的一种或多种；和/或

6、所述过渡金属为ni、co中的至少一种。

7、本发明在第二方面提供了一种立方碳化硅晶体，所述立方碳化硅晶体由包含第一方面所述的助熔剂和硅的原料经液相法生长得到。

8、优选地，所述立方碳化硅晶体的生长温度为1300~1550℃。

9、本发明在第三方面提供了一种第二方面所述的立方碳化硅晶体的生长方法，所述生长方法包括如下步骤：

10、在保护气氛中，将助熔剂和硅的混合物进行加热处理，得到熔体；

11、将所述熔体与碳化硅籽晶接触，进行晶体生长，得到所述立方碳化硅晶体。

12、优选地，所述助熔剂的制备方法包括：将稀土金属、过渡金属和碳块混合，进行电弧熔炼，得到所述助熔剂。

13、优选地，所述加热处理的温度为1300~1550℃；和/或

14、所述碳化硅籽晶为碳化硅晶片。

15、优选地，在晶体生长过程中，固定有所述碳化硅籽晶的籽晶杆以5~20μm/h的速度提拉；和/或

16、在晶体生长过程中，固定有所述碳化硅籽晶的籽晶杆以5~100 r/min的转速旋转。

17、优选地，在进行晶体生长之后，还包括采用混合酸、水除去立方碳化硅晶体表面残留物的步骤；所述混合酸包含hno3和hf。

18、优选地，所述混合酸中hno3和hf的体积比为2:1。

19、本发明与现有技术相比至少具有如下有益效果：

20、本发明提供的碳化硅晶体生长用助熔剂为包括稀土金属、过渡金属和碳的合金，该类型助熔剂可以降低制备碳化硅晶体原料熔化温度，降低碳化硅晶体的生长的温度，实现低温下（1300~1550℃）碳化硅晶体的生长，避免温度过高影响碳化硅晶体的稳定性和生长质量；同时可以增加碳在硅熔体中的溶解度，提高晶体生长前期硅熔体中碳的浓度，提升立方碳化硅晶体的生长速率，在确保立方碳化硅晶体生长质量的前提下，缩短晶体生长时间，提高立方碳化硅晶体的生长效率。与采用传统助熔剂相比，采用本发明提供的助熔剂生长高质量、大尺寸碳化硅晶体的温度更低，效率更高（生长时间更短），且助熔剂与硅和碳之间没有其它物质生成，有利于提高碳化硅单晶质量。

21、本发明提供的立方碳化硅晶体的生长方法工艺简单、生长温度低、生长效率高，可实现更低温度、更高效地生长高质量、大尺寸的立方碳化硅晶体，克服了现有大尺寸立方碳化硅晶体生长过程，晶型稳定性差，制备过程耗时较长，影响生产效率低的问题。此外，立方碳化硅晶体生长的过程中，助熔剂中的稀土金属、过渡金属不被消耗，可以继续重复利用，只需要向原料中加入硅即可继续进行立方碳化硅晶体的生长，有利于降低立方碳化硅晶体生长的成本。

技术特征：

1.一种碳化硅晶体生长用助熔剂，其特征在于，所述助熔剂为包含稀土金属、过渡金属和碳的合金；

2.根据权利要求1所述的助熔剂，其特征在于，所述稀土金属与所述过渡金属的摩尔比不小于7:3；

3.一种立方碳化硅晶体，其特征在于，所述立方碳化硅晶体由包含权利要求1或2所述的助熔剂和硅的原料经液相法生长得到。

4.根据权利要求3所述的立方碳化硅晶体，其特征在于，所述立方碳化硅晶体的生长温度为1300~1550℃。

5.一种权利要求3或4所述的立方碳化硅晶体的生长方法，其特征在于，所述生长方法包括如下步骤：

6.根据权利要求5所述的生长方法，其特征在于，所述助熔剂的制备方法包括：将稀土金属、过渡金属和碳块混合，进行电弧熔炼，得到所述助熔剂。

7.根据权利要求5所述的生长方法，其特征在于，所述加热处理的温度为1300~1550℃；和/或

8.根据权利要求5所述的生长方法，其特征在于，在晶体生长过程中，固定有所述碳化硅籽晶的籽晶杆以5~20μm/h的速度进行提拉；和/或

9.根据权利要求5所述的生长方法，其特征在于，在进行晶体生长之后，还包括采用混合酸、水除去立方碳化硅晶体表面残留物的步骤；所述混合酸包含hno3和hf。

10.根据权利要求9所述的生长方法，其特征在于，所述混合酸中hno3 和hf的体积比为2:1。

技术总结本发明提供了一种碳化硅晶体生长用助熔剂、立方碳化硅晶体及其生长方法，属于晶体生长技术领域，所述助熔剂为包含稀土金属、过渡金属和碳的合金：所述稀土金属与所述过渡金属的摩尔比为1:9~9:1。本发明提供的助熔剂可以降低碳化硅晶体的生长的温度，实现更低温下碳化硅晶体的生长，同时可以增加碳在硅熔体中的溶解度，提高晶体生长前期硅熔体中碳的浓度，可实现在更短的时间得到高质量、大尺寸的碳化硅晶体。技术研发人员：张泽盛,龚春生,王国宾受保护的技术使用者：北京晶格领域半导体有限公司技术研发日：技术公布日：2024/12/2