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一種提升單晶金剛石半導(dǎo)體摻雜濃度的方法

文檔序號(hào):41952916發(fā)布日期:2025-05-16 14:15閱讀:來(lái)源:國(guó)知局

技術(shù)特征:

1.?一種提升單晶金剛石半導(dǎo)體摻雜濃度的方法,其特征在于,采用化學(xué)氣相沉積,通過(guò)在刻蝕和生長(zhǎng)的多周期循環(huán)過(guò)程中,周期高頻極短時(shí)間摻雜氣體的快速摻入和抽出,結(jié)合氧氣加速雜質(zhì)消耗,使腔室中的等離子體始終處于非局域平衡狀態(tài),制備周期摻雜生長(zhǎng)的單晶金剛石膜,摻雜原子的摻入和等離子體環(huán)境的周期變化使單晶金剛石在保持金剛石良好晶體質(zhì)量的前提下實(shí)現(xiàn)高濃度的摻雜;具體包括以下步驟:

2.?根據(jù)權(quán)利要求1所述一種提升單晶金剛石半導(dǎo)體摻雜濃度的方法,其特征在于,步驟1.1中所述拋光,拋光盤的轉(zhuǎn)速為30-80?r/min,拋光液滴速為1-5?ml/min,拋光時(shí)間2-10h,拋光后單晶金剛石表面粗糙度小于0.5?nm。

3.?根據(jù)權(quán)利要求1所述一種提升單晶金剛石半導(dǎo)體摻雜濃度的方法,其特征在于,步驟1.2中,所述酸洗溫度為300~500?℃,酸洗時(shí)間為10~60?min;所述超聲清洗,?超聲功率為30~100?w,每次超聲時(shí)間為5~60?min。

4.?根據(jù)權(quán)利要求1所述一種提升單晶金剛石半導(dǎo)體摻雜濃度的方法,其特征在于,步驟1.3中,為了進(jìn)一步去除表面殘留雜質(zhì)和表面缺陷,在氫等離子體環(huán)境中刻蝕籽晶表面;刻蝕溫度為650~850?℃,刻蝕時(shí)間為30~150?min。

5.?根據(jù)權(quán)利要求1所述一種提升單晶金剛石半導(dǎo)體摻雜濃度的方法,其特征在于,步驟2.1、步驟2.2、中所述的摻雜氣體原子來(lái)源為氮源、硼源、磷源和硫源;另外,步驟2.1中,為了能夠獲得表面形貌光滑平整的單晶金剛石,首先在籽晶表面沉積一層金剛石過(guò)渡層,所述生長(zhǎng)溫度為750~950?℃,生長(zhǎng)時(shí)間為5~25?h,氫氣流量為200~400?sccm,甲烷流量為1~5?sccm,摻雜氣體流量為0.1~0.5?sccm,氧氣流量為0.1~0.5?sccm。

6.?根據(jù)權(quán)利要求1所述一種提升單晶金剛石半導(dǎo)體摻雜濃度的方法,其特征在于,步驟2.2-1中,通入1~20?sccm的甲烷和0.1~10?sccm的摻雜氣體,生長(zhǎng)溫度為800~950℃,生長(zhǎng)時(shí)間0.1~2?min,周期高頻極短時(shí)間摻雜和摻氧加快摻雜氣體的摻入和消耗,以及伴隨溫度的周期變化,是制備具有高摻雜濃度的單晶金剛石半導(dǎo)體的關(guān)鍵過(guò)程。

7.?根據(jù)權(quán)利要求1所述一種提升單晶金剛石半導(dǎo)體摻雜濃度的方法,其特征在于,步驟2.2-2中,生長(zhǎng)完摻雜金剛石后的抽氣過(guò)程,同時(shí)關(guān)閉摻雜氣體和甲烷流量計(jì)0.5~2min;打開(kāi)氧氣流量計(jì),通入0.1~0.5?sccm的氧氣0.5~2?min,摻雜氣體的快速抽出非常重要,一旦雜質(zhì)氣體不能及時(shí)抽出,單晶金剛石將變成多晶金剛石,所以在摻雜氣體抽出過(guò)程中加入氧氣來(lái)加速消耗摻雜原子非常關(guān)鍵,其中涉及到氧氣的通入量和頻率。

8.?根據(jù)權(quán)利要求1所述一種提升單晶金剛石半導(dǎo)體摻雜濃度的方法,其特征在于,步驟2.2-3中,非摻雜金剛石的生長(zhǎng)過(guò)程,甲烷通入時(shí)間為0.1~2?min,流量為1~20?sccm,生長(zhǎng)溫度為750~850℃,關(guān)閉甲烷流量計(jì)的時(shí)間為0.5~2?min;只留氫氣刻蝕樣品,腔室中的等離子體再次恢復(fù)平衡狀態(tài);一個(gè)摻雜周期的時(shí)間為1.2~8?min,一個(gè)摻雜周期內(nèi)氣體的切換伴隨溫度的變化,溫度差達(dá)到50℃,氣體和溫度的高頻變化導(dǎo)致金剛石的生長(zhǎng)環(huán)境極度不穩(wěn)定,從而在金剛石結(jié)構(gòu)中引入大量的摻雜原子,實(shí)現(xiàn)高濃度半導(dǎo)體摻雜。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種提升單晶金剛石半導(dǎo)體摻雜濃度的方法,其特征在于,步驟2中,周期雜質(zhì)氣體的通入并不是簡(jiǎn)單的打開(kāi)和關(guān)閉流量計(jì),生長(zhǎng)摻雜金剛石時(shí),首先打開(kāi)甲烷和摻雜氣體流量計(jì)進(jìn)行摻雜金剛石的生長(zhǎng);之后,同時(shí)關(guān)閉雜質(zhì)氣體和甲烷流量計(jì)并打開(kāi)氧氣流量計(jì),當(dāng)腔室中甲烷和雜質(zhì)氣體被氧消耗和抽出腔室并達(dá)到平衡后,再次打開(kāi)甲烷流量計(jì),進(jìn)行非摻雜金剛石的生長(zhǎng);最后關(guān)閉甲烷流量計(jì),完成一個(gè)摻雜和非摻雜金剛石的生長(zhǎng)工藝周期。

10.?根據(jù)權(quán)利要求1所述一種提升單晶金剛石半導(dǎo)體摻雜濃度的方法,其特征在于,步驟2中生長(zhǎng)摻雜金剛石的過(guò)程中摻雜氣體的流量為0.1~10?sccm,甲烷流量為1~20?sccm,氣體通入時(shí)間為0.1~2?min,生長(zhǎng)溫度為800~950℃,同時(shí)關(guān)閉摻雜氣體和甲烷流量計(jì)的時(shí)間為0.1~2?min;生長(zhǎng)非摻雜金剛石的過(guò)程中,甲烷通入時(shí)間為0.1~2?min,生長(zhǎng)溫度為750~850℃,關(guān)閉甲烷流量計(jì)的時(shí)間為0.5~2?min。


技術(shù)總結(jié)
一種提升單晶金剛石半導(dǎo)體摻雜濃度的方法,屬于半導(dǎo)體材料技術(shù)領(lǐng)域,具體是一種通過(guò)改進(jìn)摻雜工藝提升單晶金剛石中半導(dǎo)體摻雜濃度的方法。本發(fā)明的制備方法為化學(xué)氣相沉積法,工藝步驟為:a.單晶金剛石基體預(yù)處理,包括表面拋光、高溫酸洗、超聲清洗以及氫等離子體刻蝕;b.制備高摻雜濃度的單晶金剛石半導(dǎo)體,通過(guò)高頻極短時(shí)間摻雜氣體的快速摻入和抽出,引入摻雜原子,結(jié)合氧氣加速雜質(zhì)消耗,可有效促進(jìn)摻入的摻雜原子形成間隙原子,顯著提升載流子濃度,從而制備高濃度摻雜單晶金剛石半導(dǎo)體,并保持單晶金剛石良好的晶體質(zhì)量。該單晶金剛石半導(dǎo)體可應(yīng)用于高功率電子器件、高頻通信、量子技術(shù)、傳感器和極端環(huán)境設(shè)備等領(lǐng)域。

技術(shù)研發(fā)人員:劉金龍,屠菊萍,王昱淇,李聰,趙云,產(chǎn)思義,邵思武,李成明,陳良賢,魏俊俊,張建軍
受保護(hù)的技術(shù)使用者:北京科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日:
技術(shù)公布日:2025/5/15
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