[发明专利]基于低成本单晶金刚石制备高性能金刚石半导体的方法

权利要求书

1.一种基于低成本单晶金刚石制备高性能金刚石半导体的方法，其特征在于采用低成本高温高压Ib型单晶金刚石衬底，通过引入具有修复功能的氧原子外延生长高质量单晶金刚石薄层，通过氢等离子体修饰实现高氢终结密度，并获得高性能金刚石半导体，具体包括以下步骤：

步骤1：单晶金刚石衬底清洗与钝化；

1.1将选用厚度0.2-3mm，边长2mm-10mm方形高温高压Ib型单晶金刚石衬底进行清洗；

1.2对清洗后的金刚石衬底进行钝化处理，形成均匀一致的氧终结；

步骤2:单晶金刚石衬底表面活化

将表面钝化的单晶金刚石衬底置于微波化学气相沉积装置中，采用微波氢等离子体对单晶金刚石衬底表面进行活化，利用氢等离子体加热作用解吸金刚石表面碳氧键，并通过氢等离子体刻蚀作用打断金刚石表面碳碳键，露出新鲜的碳悬挂键，为进一步外延生长高质量单晶薄层做准备；表面活化温度以不产生明显刻蚀为基础；

步骤3:高质量单晶金刚石外延生长

3.1经表面活化后，在微波等离子体中通入碳源与氧气，进行高质量单晶金刚石的外延生长，提高氢等离子体的功率密度和氢原子浓度，使得含碳基团具有高的能量，同时要求金刚石衬底具有适宜的温度，既能够实现含碳基团在衬底表面的有效扩散，实现高质量二维台阶生长，又能避免高温下生长速率过快导致粗糙度增加；

3.2为实现高质量低缺陷密度单晶金刚石的生长，通过引入氧气产生的激活氧原子，抑制氮、硅空位缺陷的形成，降低缺陷密度，依托氧原子强的氧化刻蚀作用，去除非金刚石相，提高外延薄层单晶金刚石的结晶质量；此外掺入氧后的金刚石单晶外延生长，进一步起到改善表面粗糙度的作用；

步骤4:外延金刚石表面半导体化

4.1金刚石表面氢等离子体激活修饰

为进一步提高金刚石表面的CH键密度，关闭碳源与氧源，使用纯氢等离子体对金刚石表面激活修饰；使得外延生长过程中生成的CH键最大限度保留，同时需避免氢等离子体对表面刻蚀损伤，造成粗糙度增加，通过调整氢等离子体能量密度、处理温度与时间，实现表面CH键密度最大化；

4.2金刚石表面氢等离子体稳定化处理

为使等离子体中的金刚石表面CH键能够保留至室温，需要控制金刚石温度下降速率，以保证CH键的稳定性；伴随金刚石衬底温度降低，直至等离子体关闭，继续保持氢气流通，以免由于冷却过程中的CH键脱附，直至降至室温，即可获得具有高性能表面导电沟道氢终结金刚石半导体；

步骤1所述单晶金刚石衬底的清洗流程为：依次使用丙酮、酒精对单晶金刚石衬底进行超声清洗，超声波功率为50-300W，每次清洗30min，吹干；

步骤1所述单晶金刚石衬底的钝化过程为：将单晶金刚石置于硫酸：硝酸浓度为5:1的溶液，加热回流，待溶液沸腾后，煮沸30-60min；随后采用去离子水超声清洗金刚石衬底2遍，超声波功率为50-300W，每次清洗30min，吹干。

2.根据权利要求1所述一种基于低成本单晶金刚石制备高性能金刚石半导体的方法，其特征在于步骤2所述的表面活化温度为750-850℃，活化时间5-10min。

3.根据权利要求1所述一种基于低成本单晶金刚石制备高性能金刚石半导体的方法，其特征在于步骤3所述高质量单晶金刚石外延生长工艺为：生长温度850-1000℃，压力15-25kPa，功率1-5kW，甲烷浓度0.5％-1.5％，氧碳原子比2％-20％，生长时间10min-2h。

4.根据权利要求1所述一种基于低成本单晶金刚石制备高性能金刚石半导体的方法，其特征在于步骤4.1所述高质量单晶金刚石外延层的表面等离子体激活修饰温度为750-850℃，处理时间1-8min。

5.根据权利要求1所述一种基于低成本单晶金刚石制备高性能金刚石半导体的方法，其特征在于金刚石温度下降速率要求不超过20℃/min。

6.根据权利要求1所述一种基于低成本单晶金刚石制备高性能金刚石半导体的方法，其特征在于所述的高温高压Ib型单晶金刚石衬底，仅具有孤立氮原子杂质，无氮原子对型杂质，衬底表面粗糙度低于5nm，衬底取向是(100)，或是(110)或是(111)。

7.根据权利要求1所述一种基于低成本单晶金刚石制备高性能金刚石半导体的方法，其特征在于所述的通过氢等离子体修饰实现高氢终结密度，并获得高性能金刚石半导体的方法，还能通过表面氨化、氟化修饰方法获得高性能金刚石半导体。