[發明專利]一種金剛石膜表面選區擴散形成P-N結的制備方法

有效

• 申請號: 201410738255.8
• 申請日: 2014-12-05
• 公開（公告）號: CN104465341A
• 公開（公告）日: 2015-03-25
• 發明（設計）人: 劉金龍;李成明;陳良賢;化稱意;郭建超;閆雄伯;黑立富;魏俊俊
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: H01L21/04
• 分類號: H01L21/04;H01L21/223
• 代理公司: 北京市廣友專利事務所有限責任公司 11237
• 代理人: 張仲波

1.一種金剛石膜表面選區擴散形成P-N結的制備方法，其特征在于制作微區P-N結過程均以硼摻雜為基礎，采用對輕摻雜金剛石膜進行選區氫原子擴散改性獲得局部N型金剛石半導體；具體包括以下步驟：

步驟1：無摻雜本征金剛石膜的沉積；

1.1硅襯底預處理：采用(100)鏡面拋光硅片作為襯底，首先使用1:10的HF酸稀釋溶液超聲清洗5-15min，以去除表面的氧化硅層；再使用粒徑100nm的金剛石粉丙酮懸濁液超聲10-20min后將硅襯底用丙酮、去離子水分別超聲清洗烘干；

1.2無摻雜本征金剛石膜的形核：將步驟1.1預處理后的硅襯底放入微波化學氣相沉積裝置中進行無摻雜本征金剛石膜的沉積；首先使用真空泵將反應腔室真空抽至5Pa以下，后使用分子泵對反應腔室抽真空至10^-3Pa以下，隨后關閉分子泵，并通入氫氣，開啟微波激發源，待襯底溫度達到750-850℃后通入濃度為5％以上的甲烷進行形核；

1.3無摻雜本征金剛石膜的生長：無摻雜本征金剛石膜的形核完成后，進行金剛石膜的生長；

步驟2：金剛石摻雜P型半導體的制備；

無摻雜本征金剛石膜的生長后，將硼源通入反應腔室內，是由氫氣作為載氣通過鼓泡法將硼酸三甲酯帶入腔室；

2.1金剛石重摻雜P型半導體的生長：

為實現摻硼金剛石內載流子完全電離，在無摻雜本征金剛石膜上進一步進行較高濃度的硼摻雜金剛石膜的生長，成為金剛石重摻雜P型半導體，摻硼濃度要求大于10²⁰/cm³量級；

2.2金剛石輕摻雜P型半導體的生長：

金剛石重摻雜P型半導體生長后，為后續獲得N型半導體，需進一步進行較低濃度的硼摻雜金剛石膜的生長，要求控制摻硼濃度小于10¹⁶/cm³量級；

步驟3：金剛石局部N型半導體改性；

步驟2.2得到金剛石輕摻雜P型半導體后，要進行局部氫原子擴散改性；擴散改性前，要先關閉甲烷和硼源，調整反應室壓力和襯底溫度，在金剛石表面增加帶有特定形狀的掩模板；經氫等離子體處理后，在掩模板保護下，部分輕摻雜P型金剛石半導體將轉變為N型半導體，該區域N型半導體與重摻雜P型半導體將形成選區P-N結。

2.根據權利要求1所述一種金剛石膜表面選區擴散形成P-N結的制備方法，其特征在于步驟1.2所述的無摻雜本征金剛石膜的形核過程中，氫氣和甲烷流量分別為100-200標準毫升/分和5-20標準毫升/分；反應室壓力為3-6kPa，襯底偏壓為30-80V，微波功率為700-1400W，形核時間15-45min。

3.根據權利要求1所述一種金剛石膜表面選區擴散形成P-N結的制備方法，其特征在于步驟1.3所述的無摻雜本征金剛石膜的生長過程是：將氫氣和甲烷的流量分別設為100-200標準毫升/分和2-10標準毫升/分，反應室壓力為4-8kPa，襯底溫度850-950℃，微波功率為800-1600W，生長時間1-4h。

4.根據權利要求1所述一種金剛石膜表面選區擴散形成P-N結的制備方法，其特征在于步驟2.1所述的金剛石重摻雜P型半導體的生長過程的具體工藝參數為：氫氣和甲烷的流量分別設為100-200標準毫升/分和2-10標準毫升/分，氫氣載氣流量0.5-2.5標準毫升/分，反應室壓力為4-8kPa，襯底溫度850-950℃，微波功率為800-1600W，生長時間5min-30min。

5.根據權利要求1所述一種金剛石膜表面選區擴散形成P-N結的制備方法，其特征在于步驟2.2所述的金剛石輕摻雜P型半導體的生長過程的具體工藝參數為：氫氣和甲烷的流量分別設為100-200標準毫升/分和2-10標準毫升/分，氫氣載氣流量0.02-0.1標準毫升/分，反應室壓力為4-8kPa，襯底溫度850-950℃，微波功率為800-1600W，生長時間0.5-1.5h。

6.根據權利要求1所述一種金剛石膜表面選區擴散形成P-N結的制備方法，其特征在于步驟2.2中所述的反應室壓力為2.5-5kPa，襯底溫度為400-600℃，氫等離子體處理改性時間為6-12h。