[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

说明书

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，属于新型半导体制备技术领域。工艺步骤为：a.将市售廉价高温高压Ib型单晶金刚石衬底进行酸洗，去除表面夹杂物并形成钝化氧终结表面；b.采用微波氢等离子体短时处理活化金刚石表面并裸露出新鲜的C‑C悬挂键；c.采用微波等离子体化学气相沉积法在新鲜的金刚石表面外延生长高质量单晶金刚石薄层，主要通过引入具有自修复功能的氧原子，实现低位错密度与杂质含量的金刚石薄层外延；d.关闭碳源与氧源，采用微波氢等离子体处理外延生长后的金刚石表面，获得高的氢终结密度，在氢气气氛下冷却至室温，即获得高导电性能的金刚石半导体。本发明简化了工艺流程，降低了技术难度和生产成本，缩短了生产周期。

技术领域：

本发明属于新型半导体制备技术领域；特别是提供了一种利用低成本高温高压Ib型单晶金刚石衬底制备高性能金刚石半导体的简便方法，特点是在低成本的高温高压金刚石衬底上通过引入具有自修复功能的氧原子，实现高质量金刚石薄层的外延生长，并通过氢等离子体中的激活修饰，实现高性能金刚石半导体的制备。

背景技术：

金刚石材料由于具有宽带隙(5.5eV)、高载流子迁移率(特别是空穴迁移率比单晶Si、GaAs高得多)、高导热系数(2200W/mK)、高的Johnson指标和Keyse指标(均高于Si和GaAs十倍以上)等等，成为极高频超高功率领域应用的最佳材料选择。随着金刚石膜微细加工技术、掺杂半导体的薄膜合成技术、欧姆接触电极的制作、绝缘膜形成以及性能测试技术的进步，金刚石膜在电子器件方面的应用研究已从最初的热沉材料、温度传感器扩展到微加速度、微生物、压力传感器、显示器用场发射阴极、离子及辐射探测器等各个方面，特别是用于集成电路的高频大功率场效应管(field effect transistor，缩写FET)的成功研制有望将超大规模和超高速集成电路带入一个崭新的时代。

然而当前金刚石作为半导体使用主要面临高性能金刚石半导体难于获得的问题。本征金刚石属于绝缘体，只有通过将其半导体化才能实现电子器件所需的电学性质。截至目前，通过掺杂实现N型与P型金刚石半导体性能仍然表现不佳。N型半导体存在性能不稳定，掺杂引入缺陷降低导电沟道性能降低等问题。而对于P型半导体，常用的B掺杂金刚石电离激活能为0.37eV，在室温下难于完全电离。增加硼原子掺杂浓度将导致严重的点阵畸变，使得载流子迁移率降低。相比而言，金刚石表面通过实现氢终结，将在金刚石的亚表面形成一个具有二维空穴气特征的导电沟道，该导电沟道具有电离激活能低(0.05eV)，载流子密度稳定(10¹²-10¹⁴/cm²)等优点。然而氢终结表面导电沟道易于受到单晶金刚石材料的杂质含量与表面粗糙度影响。为获得高性能金刚石半导体，首先要求单晶金刚石材料具有极低的杂质和缺陷密度。而高质量单晶金刚石材料制备相对困难。一方面由于金刚石衬底本身的杂质和缺陷很容易在外延生长的单晶金刚石材料中延伸，因此高质量单晶金刚石材料制备需要使用同样高质量的单晶金刚石衬底，而高质量金刚石衬底本身相对稀少且昂贵。另一方面当前高质量单晶金刚石衬底通常采用化学气相沉积法制备，通常沉积速率较慢，例如基于化学气相沉积制备电子级单晶金刚石的沉积速率约为数十-数百纳米/小时，欲制备可满足应用厚度的高质量单晶金刚石材料，如100微米，需耗时数百小时，且产量不高。因此受制备技术限制，高质量单晶金刚石材料产量低、成本极高，成为制约金刚石半导体发展的主要瓶颈。其次，高质量单晶金刚石半导体材料用于电子器件应用，需保证表面粗糙度至少低于5nm。为使单晶金刚石材料获得低表面粗糙度，通常需采用机械抛光获得光洁表面后，进一步通过氢等离子体处理获得表面氢终结。然而，金刚石表面机械抛光后往往会在金刚石衬底表面与亚表面产生损伤层，导致外延生长的金刚石会遗传衬底中位错等缺陷，从而对氢终结表面导电沟道的载流子输运性质造成不利影响。此外，单纯的氢等离子体处理也将由于刻蚀作用使金刚石材料表面变得粗糙，导电性能下降。

发明内容：