公开了一种半绝缘碳化硅单晶，包括本征点缺陷、深能级掺杂剂、本底浅施主和受主杂质；其中所述深能级掺杂剂和本征点缺陷的浓度之和大于浅施主和浅受主杂质浓度之间差值，且所述本征点缺陷的浓度小于深能级掺杂剂的浓度。该半绝缘碳化硅单晶室温电阻率大于1×105Ω·cm，电学性能及晶体质量满足相应微波器件制备要求。该单晶通过深能级掺杂剂和本征点缺陷共同作用来补偿浅能级杂质，以获得高质量的半绝缘单晶；该单晶经过高温1800℃退火后，电阻率没有明显降低，保持大于1×105Ω·cm。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种半绝缘碳化硅单晶，特别涉及在微波器件中使用的半绝缘碳化硅衬底。
技术介绍
碳化硅(SiC)材料由于具有宽带隙、高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和漂移速度等特点，在高温、高频、大功率、光电子及抗辐射等方面具有巨大的应用前景。特别是半绝缘碳化硅衬底，其在微波器件领域有着广泛的用途，所述“半绝缘”指的是室温下电阻率大于105Ω · cm，这与“高阻”在概念上的描述是一致的。采用半绝缘碳化硅制备的晶体管能够在高达IOGHz频率下产生超过GaAs微波部件五倍功率密度的功率。因此，制造出高结晶质量的半绝缘碳化硅衬底才能制备出高性能的微波器件，才能够应用于如蜂窝电话的通信器件以及强大的机载雷达、舰载雷达等应用领域。理论上，本征SiC晶体由于禁带较宽而显现半绝缘特性。然而在SiC晶体生长过程中，由于SiC原料中含有N、B等杂质，石墨坩埚和保温材料中含有B、Al等杂质以及环境中残留的N杂质的影响，使得非故意掺杂生长的SiC晶体的电阻率约为0. 1 100 Ω · cm, 该电阻率范围的晶片显然不能满足制作微波器件的需要。为此，目前主要采用在碳化硅禁带中形成深能级的方法获得电阻率大于IO5 Ω · cm的半绝缘SiC晶体，该方法的主要原理是通过在碳化硅禁带中引入深能级作为补偿中心，从而提高材料的电阻率，此处“深能级” 是指距离价带或导带的边缘300mev或者更高的能级。但是，某些元素在该范围也能产生浅能级，例如硼，也可以产生“浅能级”的作用，具体来说，浅能级是提高了材料的导电性能，而不是提高晶体的电阻率。具体地，上述方法主要包括以下两种一是通过引入点缺陷作为深能级补偿浅能级杂质，获得半绝缘晶体。如美国专利 6，218，680，其通过本征点缺陷来补偿浅施主、浅受主杂质，同时要求重金属或过渡族金属的含量尽量小不影响器件的电学性能，特别是要求钒小于IO14cnT3或者小于二次离子质谱的检测限。然而，到目前为止，有效地增加或减少晶体中点缺陷浓度的方法还不是很清楚。 在实际晶体生长过程中，碳化硅晶体中的点缺陷浓度可能不足以补偿浅能级杂质，达不到微波器件要求的半绝缘性能。另外，一些点缺陷在热力学上是不稳定的，如果衬底在特定的环境中使用，其半绝缘性能很难有效保证。例如，研究表明SiC晶体中Si空位经过高温长时间退火后会愈合，这就会导致SiC衬底电阻率的下降，从而不能获得稳定半绝缘性能的碳化硅晶体。另一种方法是通过引入掺杂剂作为深能级。如美国专利5，611，955，其强调掺入过渡族元素，特别是钒，作为深能级把SiC晶体中非故意掺杂的N、B补偿掉，从而获得半绝缘晶体。然而，过渡族元素作为深能级引入碳化硅晶体中获得半绝缘，也会产生某些缺点。例如，在SiC晶体中引入钒作为深能级掺杂剂时，钒的大量存在也会引入相应的晶体缺陷，当钒的浓度超出其在SiC晶体中的固溶度极限值(5X IO17CnT3)时，其就会产生钒的析出物及微管，从而影响晶体的结晶质量。另一方面，如果钒的掺杂量太多也会降低晶体的电子迁移率，从而也会影响制备出来的微波器件的性能。
技术实现思路
因此，本专利技术提供了一种半绝缘碳化硅单晶衬底，该单晶同时具有深能级掺杂剂和本征点缺陷来补偿浅能级杂质，以实现较好的半绝缘性能。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的根据本专利技术一个方面，提供一种半绝缘碳化硅单晶，包括本征点缺陷、深能级掺杂剂、本底浅施主杂质和本底浅受主杂质；其中所述深能级掺杂剂和本征点缺陷的浓度之和大于本底浅施主杂质和本底浅受主杂质浓度之间差值，且所述本征点缺陷的浓度小于深能级掺杂剂的浓度，以实现补偿作用，并且所述的本征点缺陷的浓度应达到能够明显影响碳化硅晶体电阻率的浓度。在上述半绝缘碳化硅单晶中，所述碳化硅单晶的晶型可以为3C-SiC、4H-SiC、 6H-SiC 或 15R-SiC。在上述半绝缘碳化硅单晶中，所述深能级掺杂剂包括元素周期表IIIB、IVB、VB、 VIB、VIIB、VIIIB、IB、IIB 中的至少一种元素。在上述半绝缘碳化硅单晶中，所述本征点缺陷为碳空位、硅空位或双空位的一种或多种。在上述半绝缘碳化硅单晶中，所述本征点缺陷浓度与本底浅受主杂质或本底浅施主杂质浓度的差值在3个数量级范围(约IO3)内，以影响碳化硅晶体电阻率，在一个实施例中，优选大于5X1014Cm_3。在上述半绝缘碳化硅单晶中，所述本底浅施主杂质和本底浅受主杂质的浓度均小于所述深能级掺杂剂的固溶度极限值，以实现半绝缘性能。在一个实施例中，所述本底浅施主杂质的浓度小于5X 1017cm_3，所述本底浅受主杂质的浓度小于5X 1017cm_3。进一步地，在室温条件下所述碳化硅单晶的电阻率大于1Χ105Ω ^m,且优选大于 IX IO8 Ω · cm。该单晶经过高温1800°C退火后，电阻率仍大于IX IO5 Ω · cm。根据本专利技术另一个方面，提供一种晶体管，其具有包括以上所述的半绝缘碳化硅单晶的衬底。其中，所述晶体管包括金属-半导体场效应晶体管、金属-绝缘体场效应晶体管和/或高电子迁移率晶体管。与现有技术相比，本专利技术的优点在于本专利技术将深能级掺杂剂和本征点缺陷这两种深能级补偿机制结合起来，一方面， 避免了深能级掺杂剂(例如钒)的大量引入导致较差的晶体的结晶质量，另一方面，避免了点缺陷产生深能级的工艺复杂性和电阻率的不稳定性，从而获得高结晶质量的、电阻率稳定的半绝缘碳化硅衬底，满足了微波器件的要求。附图说明以下参照附图对本专利技术实施例作进一步说明，其中图1为物理气相传输法生长SiC晶体的生长室的结构示意图；图2为本专利技术实施例1中晶片1、晶片2的拉曼谱图3为本专利技术实施例2中晶片3、晶片4的拉曼谱图。 具体实施例方式在本专利技术的以下实施例中，所有晶体均采用常用的SiC晶体制备方法——物理气相传输法(Physical Vapor Transport Method)在如图1所示的生长室中获得，该装置及方法的具体原理是将石墨埚2内的温度升至2000 M00°C，使得SiC原料3升华，升华产生气相Si2C、SiC2和Si，将籽晶5置于比SiC原料3温度低的坩埚上部G为粘合剂)， 升华所产生的气相在温度梯度的作用下从原料的表面传输到温度较低的籽晶5处，并在籽晶上结晶形成块状晶体6。有关碳化硅晶体生长装置及物理气相传输法的具体信息披露在申请人2006年3月四日授权公告的题为“一种碳化硅晶体生长装置”的中国专利技术专利ZL 200310113521. X以及2006年6月观日授权公告的题为“物理气相传输生长碳化硅单晶的方法及其装置”的中国专利技术专利ZL200310113523. 9中，在此通过引用将它们与本专利技术不矛盾的部分内容包括在本专利技术当中。然而对于本领域普通技术人员应该理解，通过例如高温化学气相沉积法(HTCVD)、液相法的其他方法，同样能够获得本专利技术的碳化硅单晶，本专利技术的下述方法仅为优选。另外，本实施例中，对石墨坩埚、保温材料进行纯化处理，具体是在Ar 气氛将石墨坩埚、保温材料加热到2000°C高温处理，让其中杂质(例如铝、硼)充分挥发走。 这样，尽可能减少本底杂质对晶体电阻率的影响。实施例1晶体1采用故意掺入深能级掺杂剂(以钒为例)，其具体制备方法如下将200mg 碳化钒粉体(纯度99. 999本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：陈小龙，刘春俊，彭同华，李龙远，王刚，刘宇，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：
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