[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

技術領域：本發明屬于無機非金屬材料器件制造工藝領域；特別是提供了一種在寬禁帶半導體金剛石自支撐膜上通過硼原子摻雜結合掩模進行氫原子擴散改性的方式實現選區P-N結的方法。

背景技術：

隨著通信技術向著極高頻、超大容量方向發展，要求通訊衛星上的關鍵部件如信號接收端與發射端，在極高頻率、超大功率下工作。此時傳統的半導體材料如Si、GaAs等已難以勝任。相比而言，金剛石材料由于具有寬帶隙(5.5eV)、高載流子遷移率(特別是空穴遷移率比單晶Si、GaAs高得多)、低介電常數(5.7)、高的Johnson指標和Keyse指標(均高于Si和GaAs十倍以上)等等，成為極高頻超高功率領域應用的最佳材料選擇，因此也被譽為第四代半導體。

然而，金剛石很難像硅半導體等通過形成P-N結結構進而實現晶體管的構造。這是由于對于金剛石而言以電子為多數載流子的N型半導體很難實現所致。通常使用的摻雜氮原子在金剛石中將成為深能級，其激活能達到1.7eV，載流子很難激活。盡管早期國際上通過在金剛石中摻入雜質磷獲得了性能較好的N型半導體，同時與摻硼金剛石形成了P-N結(US?Patent，5112775，1992)但由于磷原子較大，引起金剛石發生較大畸變，使得N型半導體性能不穩定。因此國內外提出了使用N型ZnO和P型硼摻雜同質外延單晶或異質外延多晶金剛石搭配形成異質結的方法(Applied?Physics?Letters，18(1999)2851；國家發明專利：101303973A，2008)。然而對于異質外延而言，需要保證二者具有足夠精確地點陣匹配，才能夠具有良好的性能，無形中增加了P-N結的工藝難度和加工成本，諸如金剛石的精密拋光等問題。另一方面，構建基于P-N結的半導體器件通常需要在微區實現摻雜從而滿足電子芯片高集成度要求，對于使用摻雜而言，通過離子注入的形式通常很難精確控制雜質分布且易造成對于金剛石晶體的損傷，因而難于獲得良好的P-N結結構。

發明內容：

為了解決金剛石表面難于獲得微區P-N問題，本發明的目的在于提供一種金剛石膜表面通過摻雜形成P型半導體后通過掩模氫原子擴散改性成為局部N型半導體，最終實現金剛石基表面選區P-N結的方法。初期通過將襯底置于高本底真空的微波等離子體化學氣相沉積裝置中，通過控制形核和生長工藝參數，獲得高質量非摻雜本征金剛石膜。后引入高濃度硼源，獲得重摻雜金剛石P型半導體，目的是使得空穴載流子完全激活。隨后調整摻硼濃度，降低硼摻雜濃度至很容易與氫原子結合并飽和的水平，實現低摻雜濃度金剛石膜的生長。生長結束后，關閉碳源和硼源，并降低氫等離子體功率與襯底溫度，此時在金剛石表面增加具有特定圖形的掩模板，對特定區域內輕摻雜金剛石膜進行氫等離子體擴散改性，通過氫原子擴散并與硼受主雜質結合產生局部N型半導體導電特征，該N型半導體與硼重摻雜金剛石將形成選區P-N結結構。

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HF酸稀釋溶液(1:10)超聲清洗5-15min，以去除表面的氧化硅層；為增加金剛石膜的形核密度與結合力，使用粒徑100nm的金剛石粉丙酮懸濁液超聲清洗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。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。

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

步驟2：金剛石摻雜P型半導體的制備；