[發明專利]一種共摻雜金剛石及制備方法與半導體材料、裝置

有效

• 申請號: 201910879808.4
• 申請日: 2019-09-17
• 公開（公告）號: CN110565066B
• 公開（公告）日: 2022-04-19
• 發明（設計）人: 彭建國;陳宏偉;彭偉華;孔智超
• 申請（專利權）人: 北京阿爾瑪斯科技有限公司
• 主分類號: C23C16/27
• 分類號: C23C16/27;C30B25/00;C30B29/06;H01L21/02
• 代理公司: 北京超凡宏宇專利代理事務所(特殊普通合伙) 11463
• 代理人: 嚴誠

本申請實施例提供一種共摻雜金剛石及制備方法與半導體材料、裝置，涉及半導體材料領域。共摻雜金剛石的晶格結構包括多個碳原子、一個硼原子、多個硫原子以及多個空位，其不大于0.17％的供體原子提供0.25～0.27eV電離能量的傳導電子。共摻雜金剛石的制備方法主要是將金剛石襯底置于熱絲反應室中，往熱絲反應室內通入氫氣至氣壓達35托以上；將熱絲加熱至2000～2400℃，金剛石襯底加熱至650～1000℃；往熱絲反應室內通入含有碳源和硼硫摻雜劑的氫氣，在金剛石襯底的晶面上沉積形成硼硫共摻雜金剛石。共摻雜金剛石及制備方法與半導體材料、裝置能夠得到優質的n型半導體材料，滿足金剛石基半導體器件的性能需求。

技術領域

本申請涉及半導體材料領域，具體而言，涉及一種共摻雜金剛石及制備方法與半導體材料、裝置。

背景技術

經理論與實踐證實，金剛石擁有優秀的半導體性能特征。在作為半導體材料方面，金剛石具有帶隙寬，電子和空穴遷移率高，且介電常數小，擊穿電場較大的特點，可用于制作高溫環境和外空間環境下操作的器件、高頻高輸出功率器件、可發射紫外光的發光器件、低壓驅動下的電子發射體等。

要實現金剛石的半導體功能需要對其進行有效的摻雜，使其具有n型或p型導電性。目前金剛石的摻雜方法主要有三種，即擴散法、離子注入法和CVD(chemical vapordeposition，化學氣相沉積)原位摻雜法。擴散法是在真空和高溫條件下將雜質擴散摻入金剛石中，這種方法受擴散系數和平衡濃度的限制，能摻入的雜質濃度很低。離子注入法是將高能的雜質離子束射向金剛石，并最終停留在金剛石中，它會在一定程度上破壞金剛石的晶格結構，甚至造成金剛石表面的石墨化，而且金剛石的離子注入和退火比其他半導體材料更為復雜。CVD原位摻雜法是在反應氣體中加入合適的摻雜氣體，使雜質原子通過沉積的方式進入金剛石晶格中，CVD原位摻雜法具有雜質濃度均勻穩定、不破壞金剛石晶格結構等優點。

到目前為止，金剛石半導體商業化的最大障礙是制造p型電晶體較容易，但制造n型導電晶體較困難，尤其是制造優質n型導電性的金剛石摻雜層成為金剛石半導體發展的壁壘。

發明內容

本申請實施例的目的在于提供一種共摻雜金剛石及制備方法與半導體材料、裝置，能夠得到優質的n型半導體材料，滿足金剛石基半導體器件的性能需求。

第一方面，本申請實施例提供了一種共摻雜金剛石，共摻雜金剛石的晶格結構包括多個碳原子、一個硼原子、多個硫原子以及多個空位，其不大于0.17％的供體原子提供0.25～0.27eV電離能量的傳導電子。

在上述技術方案中，硼和硫是兩種施主雜質，硼硫共摻雜會降低金剛石晶格中的畸變，從而提高晶格的完整性，有利于提高金剛石的電子導電性能，提供金剛石的載流子遷移率，降低金剛石活化能。具體地，添加硼后會影響含碳基團在金剛石生長表面的擴散和吸附作用，提高摻雜金剛石的表面質量。雖然當硫獨立地位于金剛石晶格的替代位置時，具有較深的施主能級，但是當硫和硼在金剛石中形成缺陷復合體B-S時，其施主能級變淺，更靠近導帶底，有利于雜質硫原子的激活，同時也能夠減少雜質硫原子在晶界上集聚，使更多的硫原子進入金剛石晶體點陣中，提高雜質硫原子的摻雜效率。此外，小尺寸的硼原子與大尺寸的硫原子同時進入金剛石晶體后，有利于減少晶體中缺陷的產生，提高晶格完整性，從而也提高了載流子遷移率。本申請的共摻雜金剛石能夠形成優質的n型半導體材料，具有優異的半導體性能，能夠滿足金剛石基半導體器件的性能需求。

在一種可能的實現方式中，共摻雜金剛石的載流子濃度為(2.9～5.0)·10¹⁸cm^-3；載流子激活能為1.5～1.6eV；電子遷移率為892～1037cm²/Vs；電導率為1～10/Ω·cm。

在上述技術方案中，共摻雜金剛石具有優異的載流子遷移率和導電性能，能夠滿足金剛石基半導體器件的性能需求。

在一種可能的實現方式中，共摻雜金剛石為片狀或層狀，其厚度為1.0～3.0μm。