一种共掺杂金刚石及制备方法与半导体材料、装置制造方法及图纸

本申请实施例提供一种共掺杂金刚石及制备方法与半导体材料、装置，涉及半导体材料领域。共掺杂金刚石的晶格结构包括多个碳原子、一个硼原子、多个硫原子以及多个空位，其不大于0.17％的供体原子提供0.25～0.27eV电离能量的传导电子。共掺杂金刚石的制备方法主要是将金刚石衬底置于热丝反应室中，往热丝反应室内通入氢气至气压达35托以上；将热丝加热至2000～2400℃，金刚石衬底加热至650～1000℃；往热丝反应室内通入含有碳源和硼硫掺杂剂的氢气，在金刚石衬底的晶面上沉积形成硼硫共掺杂金刚石。共掺杂金刚石及制备方法与半导体材料、装置能够得到优质的n型半导体材料，满足金刚石基半导体器件的性能需求。

A Co doped diamond and its preparation method, semiconductor material and device

【技术实现步骤摘要】
一种共掺杂金刚石及制备方法与半导体材料、装置
本申请涉及半导体材料领域，具体而言，涉及一种共掺杂金刚石及制备方法与半导体材料、装置。
技术介绍
经理论与实践证实，金刚石拥有优秀的半导体性能特征。在作为半导体材料方面，金刚石具有带隙宽，电子和空穴迁移率高，且介电常数小，击穿电场较大的特点，可用于制作高温环境和外空间环境下操作的器件、高频高输出功率器件、可发射紫外光的发光器件、低压驱动下的电子发射体等。要实现金刚石的半导体功能需要对其进行有效的掺杂，使其具有n型或p型导电性。目前金刚石的掺杂方法主要有三种，即扩散法、离子注入法和CVD(chemicalvapordeposition，化学气相沉积)原位掺杂法。扩散法是在真空和高温条件下将杂质扩散掺入金刚石中，这种方法受扩散系数和平衡浓度的限制，能掺入的杂质浓度很低。离子注入法是将高能的杂质离子束射向金刚石，并最终停留在金刚石中，它会在一定程度上破坏金刚石的晶格结构，甚至造成金刚石表面的石墨化，而且金刚石的离子注入和退火比其他半导体材料更为复杂。CVD原位掺杂法是在反应气体中加入合适的掺杂气体，使杂质原子通过沉积的方式进入金刚石晶格中，CVD原位掺杂法具有杂质浓度均匀稳定、不破坏金刚石晶格结构等优点。到目前为止，金刚石半导体商业化的最大障碍是制造p型电晶体较容易，但制造n型导电晶体较困难，尤其是制造优质n型导电性的金刚石掺杂层成为金刚石半导体发展的壁垒。
技术实现思路
本申请实施例的目的在于提供一种共掺杂金刚石及制备方法与半导体材料、装置，能够得到优质的n型半导体材料，满足金刚石基半导体器件的性能需求。第一方面，本申请实施例提供了一种共掺杂金刚石，共掺杂金刚石的晶格结构包括多个碳原子、一个硼原子、多个硫原子以及多个空位，其不大于0.17％的供体原子提供0.25～0.27eV电离能量的传导电子。在上述技术方案中，硼和硫是两种施主杂质，硼硫共掺杂会降低金刚石晶格中的畸变，从而提高晶格的完整性，有利于提高金刚石的电子导电性能，提供金刚石的载流子迁移率，降低金刚石活化能。具体地，添加硼后会影响含碳基团在金刚石生长表面的扩散和吸附作用，提高掺杂金刚石的表面质量。虽然当硫独立地位于金刚石晶格的替代位置时，具有较深的施主能级，但是当硫和硼在金刚石中形成缺陷复合体B-S时，其施主能级变浅，更靠近导带底，有利于杂质硫原子的激活，同时也能够减少杂质硫原子在晶界上集聚，使更多的硫原子进入金刚石晶体点阵中，提高杂质硫原子的掺杂效率。此外，小尺寸的硼原子与大尺寸的硫原子同时进入金刚石晶体后，有利于减少晶体中缺陷的产生，提高晶格完整性，从而也提高了载流子迁移率。本申请的共掺杂金刚石能够形成优质的n型半导体材料，具有优异的半导体性能，能够满足金刚石基半导体器件的性能需求。在一种可能的实现方式中，共掺杂金刚石的载流子浓度为(2.9～5.0)·1018cm-3；载流子激活能为1.5～1.6eV；电子迁移率为892～1037cm2/Vs；电导率为1～10/Ω·cm。在上述技术方案中，共掺杂金刚石具有优异的载流子迁移率和导电性能，能够满足金刚石基半导体器件的性能需求。在一种可能的实现方式中，共掺杂金刚石为片状或层状，其厚度为1.0～3.0μm。在上述技术方案中，厚度为1.0～3.0μm的共掺杂金刚石片或层能够直接作为半导体材料应用于制作半导体装置。第二方面，本申请实施例提供了一种第一方面提供的共掺杂金刚石的制备方法，其包括以下步骤：将金刚石衬底置于热丝反应室中，往热丝反应室内通入氢气至气压达35托以上；将热丝反应室中的热丝加热至2000～2400℃，金刚石衬底加热至650～1000℃；往热丝反应室内通入含有碳源和硼硫掺杂剂的氢气，在金刚石衬底的晶面上沉积形成硼硫共掺杂金刚石晶体层。在上述技术方案中，本申请实施例是采用等离子辅助热丝化学气相沉积(plasmaassistanthot-filamentchemicalvapordeposition，PAHFCVD)工艺在金刚石衬底的晶面上形成共掺杂金刚石。在其他实施例中还可以增设微波发生器，通过微波发生器确保等离子的稳定状态，从而增加前驱气体的反应速率，激发高稳定度的等离子团，最大限度的减少了因气流、气压、气体成分、电压等因素波动引起的等离子体状态的变化，从而确保单晶生长的持续性，使合成大尺寸单晶金刚石成为可能。热丝法拥有设计灵活的热丝结构及工艺简单的优点，在实现金刚石基上大面积沉积有着很大的优势，但仅用热丝法金刚石生长的速度慢，纯度不高；微波等离子体由于微波源的限制，较难实现大面积沉积，但是生长速度稳定，且纯度较高，因此本申请可以通过微波辅助的方式，提高热丝法的沉积速度和产品的纯度。同时隔绝高压源与微波发生器，采用磁约束的方法，约束等离子团在设定的空间内，微波结和磁路可以兼容。引入受体掺杂原子至金刚石晶格，从而建立离子轨道，掺杂原子与碳悬空键反应，但不形成金刚石受体能阶，同时通过能量偏向受体掺杂原子的间隙定位，削弱晶格中碳悬空键的排斥力，这样有助于掺杂原子介入晶格时产生额外晶格畸变最小，产生空位更少。本实施例具体是将金刚石衬底置于热丝反应室中，抽空至接近真空后通入氢气，通过热丝加热产生氢气等离子体轰击金刚石衬底的晶面；然后引入含有碳源和硼硫掺杂剂的氢气，在微波作用下产生氢等离子体、活性氢原子和含碳、硼、硫的活性基团，并沉积于晶面上，得到共掺杂金刚石。由于通过上述方式引入受体掺杂原子并不会改变临界空位密度，同时降低了掺杂金刚石晶格的电阻抗性，因此能够获得更优质的半导体性能。在一种可能的实现方式中，金刚石衬底为单晶金刚石；可选地，金刚石为高温高压法制得的单晶金刚石。在上述技术方案中，采用高温高压法制备的单晶金刚石作为衬底，表面光滑无生长缺陷，因此采用以高温高压法制得的单晶金刚石的晶面作为衬底生长面能够减少缺陷产生。在一种可能的实现方式中，金刚石衬底的晶面为(100)面。在上述技术方案中，专利技术人在实现本申请的过程中发现：虽然相比于(111)晶面金刚石(即具有(111)晶面的金刚石晶体)，(100)晶面金刚石(即具有(100)晶面的金刚石晶体)由于低掺杂效率、高补偿比等原因一直难于实现有效掺杂，但是(100)晶面金刚石在电学性能和机械加工方面更具优势，且金刚石晶体的(100)晶面更适合作为衬底材料的生长面，因此采用金刚石的(100)晶面作为衬底生长面具有重要意义。在一种可能的实现方式中，热丝包括钨丝六边形，以及布满于钨丝六边形内的钼丝六边形，填充于钼丝六边形内的铼丝六边形，钨丝六边形、钼丝六边形和铼丝六边形三者形成双层六边形网状分形结构。在上述技术方案中，依次套设的钨丝六边形、钼丝六边形和铼丝六边形三者形成双层六边形网状分形结构，实现气体层流流动，避免或有效限制涡流，在高温和特殊的反应环境中，层流有利于气源的均匀分布和材料的可控生长，而涡流会影响到外延层的厚度、组分和掺杂均匀性，进一步，它会影响外延层界面梯度、本底杂质及界面微形貌。另本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种共掺杂金刚石，其特征在于，所述共掺杂金刚石的晶格结构包括多个碳原子、一个硼原子、多个硫原子以及多个空位，其不大于0.17％的供体原子提供0.25～0.27eV电离能量的传导电子。/n

【技术特征摘要】
1.一种共掺杂金刚石，其特征在于，所述共掺杂金刚石的晶格结构包括多个碳原子、一个硼原子、多个硫原子以及多个空位，其不大于0.17％的供体原子提供0.25～0.27eV电离能量的传导电子。


2.根据权利要求1所述的共掺杂金刚石，其特征在于，所述共掺杂金刚石的载流子浓度为(2.9～5.0)·1018cm-3；载流子激活能为1.5～1.6eV；电子迁移率为892～1037cm2/Vs；电导率为1～10/Ω·cm。


3.根据权利要求1所述的共掺杂金刚石，其特征在于，所述共掺杂金刚石为片状或层状，其厚度为1.0～3.0μm。


4.一种如权利要求1所述的共掺杂金刚石的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将金刚石衬底置于热丝反应室中，往所述热丝反应室内通入氢气至气压达35托以上；
将所述热丝反应室中的热丝加热至2000～2400℃，所述金刚石衬底加热至650～1000℃；
往所述热丝反应室内通入含有碳源和硼硫掺杂剂的氢气，在所述金刚石衬底的晶面上沉积形成硼硫共掺杂金刚石晶体层。


5.根据权利要求4所述的共掺杂金刚石的制备方法，其特征在于，所述金刚石衬底为单晶金刚石；可选地，所述金刚石为高温高压法制得的单晶金刚石。


6.根据权利要求4或5所述的共掺杂金刚石的制备方法，其特征在于，所述金刚石衬底的晶面为(100)面。


7.根据权利要求4所述的共掺杂金刚石的制备方法，其特征在于，所述热丝包括钨丝六边形，以及布满于所述钨丝六边形内的钼丝六边形，填充于所述钼丝六边形内的铼丝六边形，所述钨丝六边形、所述钼丝六边形和所述铼丝六边形三者形成双层六边形网状分形结构。


8.根据权利要求4所述的共掺杂金刚石的制备方法，其特征在于，所述金刚石衬底先经过预处理，所述预处理的方法为：将金刚石经过蚀刻、精磨和抛光处理，产生(100)晶面；然后用清洗剂超声波清洗，干燥。


9.根据权利要求4所述的共掺杂金刚石的制备方法，其特征在于，往所述热丝反应室内填入氢气的方法为：先将所述热丝反应室抽真空至气压小于10毫米汞柱，再用氢气回填所述热丝反应室至气压达35托以上。


10.根据权利要求4或9所述的共掺杂金刚石的制备方法，其特征在于，所述氢气的纯度不小于99.999％，回填时的氢气的流量为90～110ml/min。


11.根据权利要求4所述的共掺杂金刚...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭建国，陈宏伟，彭伟华，孔智超，
申请(专利权)人：北京阿尔玛斯科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11