掺杂金刚石半导体及其制造方法技术

本文中公开一种掺杂金刚石半导体和使用激光的制造方法。如所公开的，可将掺杂物和/或金刚石或蓝宝石晶种材料添加到定位于限制层下方的基于石墨的烧蚀层，所述烧蚀层也是基于石墨的且定位于背衬层上方，以通过激光束作用于所述烧蚀层来促使形成具有所需半导体性质的金刚石颗粒。可将掺杂物并入到工艺中以激活寻求产生适用于产生掺杂半导体或掺杂导体的材料的反应，所述掺杂半导体或所述掺杂导体适合于调节所产生的所述材料的电气、热或量子性质的目的。如所公开的，由机器或所公开的限制型脉冲激光沉积的方法形成的所述金刚石颗粒可布置为半导体、电气组件、热组件、量子组件和/或集成电路。

Doped diamond semiconductor and its manufacturing method

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】掺杂金刚石半导体及其制造方法相关申请的交叉引用：本申请案要求2017年12月8日申请的待决的美国实用性非临时专利申请案15/836,570和2017年6月19日申请的待决的美国实用性非临时专利申请案第15/627,426号的权益，所有申请案以全文引用的方式并入本文中。
技术介绍
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各种各样的半导体装置用作基本电子建构区块以形成从计算机到蜂窝电话、家庭娱乐系统以及汽车控制系统的电子装置。其它装置使用半导体以用于与计算或处理功率不相关的目的，例如音频放大器、工业控制系统以及用于其它这类目的。调制解调器半导体通常基于硅，用添加掺杂物来改变其电性质。例如，用磷掺杂硅产生过剩的电子，从而由于硅中不存在第五个价电子而是仅具有四个价电子而导致产生n型半导体材料。类似地，用硼掺杂硅产生具有过剩“空穴”或不存在电子的p型硅，这是因为硼仅具有三个价电子，这比硅少一个。当n型硅和p型硅彼此接触时，电流在一个方向上比在另一方向上更容易地流过会合处。可以组装n型材料和p型材料的更复杂配置以形成不同类型的晶体管、集成电路以及其它电子设备。但某些半导体装置的性能受所使用的半导体材料中固有的性质限制。例如，处理器的速度受到可以在构成处理器集成电路的晶体管和其它装置中耗散的功率量限制，所述装置在操作过快的情况下可能几乎熔化。尺寸的减小同样受限，这是因为随着将耗散一定功率量的更多晶体管封装到更小区域中，某一区域中耗散的热量增大。甚至用于高频率、大功率应用的简单装置例如二极管也受功率限制影响，这是因为个体晶体管或二极管的实际大小通常极小。需要实现更大功率耗散和更高半导体装置密度的半导体装置以提供更高性能、更小的电气装置。如所公开的，掺杂金刚石半导体提供可实现更大功率耗散和更高半导体装置密度的一种半导体类型。另外，使用本文公开的方法(包含通过激光烧蚀)掺杂金刚石半导体和基于那些掺杂金刚石半导体的集成电路的制造可以极低成本产生，促进广泛采用并替代传统基于硅的半导体。在其它实施例中，可在激光烧蚀之前掺杂石墨材料以操控热性质或量子状态性质或两者，其中激光烧蚀的掺杂石墨材料是改进的热导体或实现所产生金刚石结构的量子状态特征。现有技术用于制造掺杂金刚石半导体的本公开通常旨在完全使所属领域的一般技术人员能够实现，且并非旨在将本专利技术的广度或权利要求的范围限制于任何一种特定掺杂金刚石半导体，这是因为本公开可用于制造适用于制造如电子装置中通常发现的集成电路的任何掺杂金刚石半导体。以下美国专利提供关于掺杂金刚石半导体的额外论述和公开且以全文引用的方式并入本文中：1.美国专利第8,933,462号，名称为“制造金刚石半导体的方法和根据所述方法形成的金刚石半导体(MethodofFabricatingDiamondSemiconductorandDiamondSemiconductorformedaccordingtotheMethod)”；2.美国专利第8,735,907号，名称为“用于半导体金刚石装置的欧姆电极(OhmicElectrodeforUseinSemiconductorDiamondDevice)”；3.美国专利第8,237,170号，名称为“肖特基金刚石半导体装置和用于金刚石半导体装置的肖特基电极的制造方法(SchottkyDiamondSemiconductorDeviceandManufacturingMethodforASchottkyElectrodeforDiamondSemiconductorDevice)”；4.美国专利第8,158,455号，名称为“硼掺杂金刚石半导体(Boron-dopeddiamondsemiconductor)”；5.美国专利第5,254,237号，名称为“用于产生金刚石半导体装置的等离子体电弧设备(PlasmaArcApparatusforProducingDiamondSemiconductorDevices)”；6.美国专利第5,254,237号，名称为“用于产生金刚石半导体装置的等离子体电弧设备(Plasmaarcapparatusforproducingdiamondsemiconductordevices)”；前述参考文献出于启用的目的包含于本文中且可以完全或部分地针对其在本公开的实施方案中的教导而被要求保护且以引用的方式完全并入本文中。申请人在本文中包含多个参考并不是承认任何特定参考或多个参考(单独或组合)是必需相关的或预测或使本公开显而易见的。
技术实现思路
公开使用激光的掺杂金刚石半导体和导体的制造，且特别是使用激光来烧蚀一定量的基于碳的起始材料，以及在基于碳的起始材料附近具有或不具有材料，以及具有或不具有定位于上部透明限制层与下部背衬平面之间的各种掺杂材料(掺杂物)和/或晶种材料(金刚石或蓝宝石)，基于碳的起始材料布置于其中以形成适用于产生在将激光施加到基于碳的起始材料时具有适用于计算机应用的量子状态特征的电气组件、集成电路、热导体或材料的基于金刚石的半导体或导体。如所公开的，制造掺杂金刚石半导体的基于激光的方法允许精细控制结晶生长。出于本公开的目的，掺杂物(掺杂材料)出于与其在基于硅的半导体中用于载流子生成(generation)/形成(creation)的目的类似的目的而添加，因为刻意掺杂将杂质引入到中用于调节其电性质的目的。杂质取决于半导体类型及出于其既定目的需要具有的性质。轻度和中度掺杂半导体被称作非本征半导体。掺杂到如此高水准以至于其更类似于导体而非半导体的半导体被称作简并半导体。如本文中所公开的，可能掺杂材料(掺杂物)可包含但不限于(restriction或limitation)以下：硼、铝、氮、镓、铟、磷、磷化氢气体、砷、锑、铋、锂、锗、硅、氙、金、铂、砷化镓、碲、硫、锡、锌、铬、磷化镓、镁、碲化镉、氯、钠、硫化镉、碘、氟，其各自以任何调配形式单独或与前述元素中的任一个组合起作用以激活寻求产生适用于产生半导体或导体的材料的反应，所述半导体或所述导体适合于调节所产生的材料或组件的电气、热或量子状态性质。氮对于量子计算应用和衬底可具有特定价值。所属领域的技术人员将了解，当使用掺杂物通过这一工艺操控热性质或量子状态性质时，其中氮将会是掺杂物，所得金刚石材料并不按照定义是金刚石半导体，但代替地是适用于量子计算的热导体或衬底，正如本文将进一步论述的。美国专利第8,939,107号和第8,499,599号由于与使用激光将碳颗粒转化为金刚石颗粒的使用和方法有关而以引用的方式并入本文中。前述美国专利出于启用的目的包含于本文中且可以完全或部分地针对其在本公开的实施方案中的教导而被要求保护且以引用的方式完全并入本文中。申请人在本文中包含多个参考文献并不是承认任何特定参考文献或多个参考文献(单独或组合)是必需相关的或预测或使本公开显而易见的。附图说明并入本说明书中并构成本说明书的一部分的附图示出实施例，且连同说明书一起用于解释并示出如本文中所公开的金刚石掺杂半导体和制造方法(下文中仅称为“金刚石掺杂半导体本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于制造电气组件的限制型脉冲激光沉积方法，包括：/na)将烧蚀涂层放置在透明限制层与背衬平面之间，其中所述烧蚀涂层由石墨颗粒和掺杂材料构成；/nb)引导激光束穿过所述透明限制层以在通常环境温度和压力下照射并烧蚀所述烧蚀涂层；/nc)使用所述激光束使所述烧蚀涂层气化成氧化等离子气体；/nd)使用所述限制层来限制气化的所述烧蚀涂层以在所述限制层与所述背衬平面之间产生激光诱发性压力；且/ne)使用所述限制层与所述背衬平面之间的所述激光诱发性压力从所述烧蚀涂层合成中期，从而在其中形成电气组件，所述电气组件进一步包括：/ni.至少第一部分，其由金刚石形成且由金刚石构成，所述第一部分主要定义为绝缘体；/nii.至少第二部分，其由石墨形成且由石墨构成，所述第二部分主要定义为导体；/niii.至少第三部分，其由掺杂金刚石形成且由掺杂金刚石构成，所述第三部分主要定义为半导体；/niv.其中所述第一部分、所述第二部分以及所述第三部分电连接，处于单一平面中且一体地形成以跨所述电气组件传输电信号。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170619 US 15/627,426;20171208 US 15/836,5701.一种用于制造电气组件的限制型脉冲激光沉积方法，包括：
a)将烧蚀涂层放置在透明限制层与背衬平面之间，其中所述烧蚀涂层由石墨颗粒和掺杂材料构成；
b)引导激光束穿过所述透明限制层以在通常环境温度和压力下照射并烧蚀所述烧蚀涂层；
c)使用所述激光束使所述烧蚀涂层气化成氧化等离子气体；
d)使用所述限制层来限制气化的所述烧蚀涂层以在所述限制层与所述背衬平面之间产生激光诱发性压力；且
e)使用所述限制层与所述背衬平面之间的所述激光诱发性压力从所述烧蚀涂层合成中期，从而在其中形成电气组件，所述电气组件进一步包括：
i.至少第一部分，其由金刚石形成且由金刚石构成，所述第一部分主要定义为绝缘体；
ii.至少第二部分，其由石墨形成且由石墨构成，所述第二部分主要定义为导体；
iii.至少第三部分，其由掺杂金刚石形成且由掺杂金刚石构成，所述第三部分主要定义为半导体；
iv.其中所述第一部分、所述第二部分以及所述第三部分电连接，处于单一平面中且一体地形成以跨所述电气组件传输电信号。


2.根据权利要求1所述的用于制造电气组件的限制型脉冲激光沉积方法，其中金属化合物存在于所述第二部分中。


3.根据权利要求1所述的用于制造电气组件的限制型脉冲激光沉积方法，形成为电阻器、晶体管、电容器、反相器、电感器或二极管或其中的组合。


4.根据权利要求2所述的用于制造电气组件的限制型脉冲激光沉积方法，形成为电阻器、晶体管、电容器、反相器、电感器或二极管或其中的组合。


5.根据权利要求1所述的用于制造电气组件的限制型脉冲激光沉积方法，形成为电阻器、晶体管、电容器、反相器、电感器或二极管或其中的组合，且多个所述电气组件进一步装配以形成集成电路。


6.根据权利要求1所述的用于制造电气组件的限制型脉冲激光沉积方法，其中所述烧蚀涂层包含金属。


7.根据权利要求1所述的用于制造电气组件的限制型脉冲激光沉积方法，其中所述掺杂材料选自选自包括以下的组：硼、铝、氮、镓、铟、磷、磷化氢气体、砷、锑、铋、锂、锗、硅、氙、金、铂、砷化镓、碲、硫、锡、锌、铬、磷化镓、镁、碲化镉、氯、钠、硫化镉、碘、氟，其各自以任何调配形式单独或与前述元素中的任一个组合起作用以激活寻求产生适用于产生掺杂半导体或掺杂导体的材料的反应，所述掺杂半导体或所述掺杂导体适合于调节所产生的所述材料的电气、热或量子性质的目的。


8.一种电气组件，包括：
a)至少第一部分，其由金刚石形成且由金刚石构成，所述第一部分主要定义为绝缘体；
b)至少第二部分，其由石墨形成且由石墨构成，所述第二部分主要定义为导体；
c)至少第三部分，其由掺杂金刚石形成且由掺杂金刚石构成，所述第三部分主要定义为半导体；
d)其中所述第一部分、所述第二部分以及所述第三部分电连接，处于单一平面中且一体地形成以跨所述电气组件传输电信号。


9.根据权利要求8所述的电气组件，其中所述第一部分、所述第二部分以及所述第三部分是非分层的。


10.根据权利要求8所述的电气组件，其中所述第一部分、所述第二部分以及所述第三部分在所述单一平面中彼此邻接。


11.根据权利要求8所述的电气组件，其中所述第一部分、所述第二部分以及所述第三部分可以在所述单一平面中彼此邻接。...

【专利技术属性】
技术研发人员：埃里克·大卫·波斯威尔，
申请(专利权)人：金刚石技术有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US