[发明专利]一种晶型金刚石掺氮半导体复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种掺氮晶型金刚石半导体材料，属于金刚石半导体领域。其中，所述掺氮晶型金刚石半导体复合材料包括以高温高压法制得的IIa型金刚石晶体作为衬底材料，以CH₄、Ar和NH₃作为气体源，在衬底材料上生长出的掺氮晶型金刚石。本发明进一步公开了制备所述掺氮晶型金刚石半导体材料的方法。利用本发明制备的掺氮晶型金刚石半导体材料，具有较好的电学性能和半导体性能，可以推动金刚石半导体器件的发展，也将有助于金刚石基半导体器件的产业化发展。

技术领域

本发明属于金刚石半导体领域，具体地，涉及一种晶型金刚石掺氮半导体复合材料及其制备方法。

背景技术

金刚石做为天然硬度最高的材料，具有禁带宽度大(5.5eV)、热导率极高、耐腐蚀、透光性好、高纵波声速、介质击穿场强等诸多优异性质，被认为是目前最有发展前途的半导体材料。目前通过在金刚石中掺杂硼元素已经获得了P型半导体，技术发展相对比较成熟。但获得高性能N型半导体金刚石，依然存在重大挑战。目前，所掺入N型金刚石膜中的杂质能级深，导致其载流子浓度低、霍尔迁移率小、电阻率高，N型金刚石膜材料不能满足电子器件制作要求，从而使得其难以获得应用。原因在于：金刚石晶体中N型杂质原子的固溶度低、N型施主杂质能级深增加其原子电离活化量、金刚石的晶体缺陷会产生电荷补偿效应降低载流子浓度。所以找到合适的掺杂元素和掺杂方法对成功制备N型半导体金刚石具有重要意义。

现有技术，一般通过掺杂V族元素(N，P)和VI族元素(O，S)作为电子施主的方法来制备N型金刚石，试图得到性能良好的半导体材料；其中，氮作为天然和人工合成金刚石中含量最多的杂质得到了科学家们的广泛关注；然而，由于氮原子具有较强电负性，当氮置换掺杂进金刚石中与周围四个碳原子形成4C-N构型时，未配对电子被束缚在氮原子附近，因此导致了氮作为施主元素时，N型金刚石具有导带下1.7eV(EC-1.7eV)很深的缺陷能级；这严重影响了室温下的电导率，导致其无法作为性能良好的半导体材料。

发明内容

为了解决上述技术问题中的至少一个，本发明采用的技术方案如下：

本发明第一方面提供一种掺氮晶型金刚石半导体材料，所述掺氮晶型金刚石半导体复合材料包括以高温高压法制得的IIa型金刚石晶体作为衬底材料，以CH4、Ar和NH3作为气体源，在衬底材料上生长出的掺氮晶型金刚石。

在本发明的一些实施方案中，所述高温高压法是指温度梯度法。温度梯度法是在高温高压条件下，生长腔体内上部的石墨转化为金刚石并溶于触媒中，由于温度的不同，金刚石将由高温处的高浓度区向低温处的低浓度区扩散，并在低温处晶种上结晶析出。这种方法其下部晶种上放置触媒提供空间，再加上晶种的存在控制了成核数量，导致金刚石晶体可以长时间长大，适合大尺寸金刚石晶体的生长。该方法可以通过调节工艺条件、内部装置及触媒成分等来调控掺杂元素的进入方式及量。这种掺杂后合成的大尺寸功能金刚石单晶更有利于拓展其应用范围。

高温高压静压触媒法得到的金刚石单晶为六-八面体形貌，由较为发达的{100}和{111}组成。在本发明的一些优选实施方案中，以金刚石晶体{111}面为生长面，生长出所述掺氮晶型金刚石。

微波场是高频电磁场，在微波场作用下，电子产生剧烈震荡，从而促进了与其他原子、离子、基团及分子的碰撞，反应气体的离化程度增高并产生高密度的等离子体。在微波等离子体CVD制备金刚石膜过程中，沉积气体在微波能量的作用下激发成等离子状态，气体电离程度可达到10％以上，满足过饱和条件使CH₄反应气氛中充满了过饱和氢原子和含碳基团等，提高了沉积速率并大幅改善金刚石膜的沉积质量。

本发明的第二方面提供一种本发明第一方面所述的掺氮晶型金刚石半导体复合材料的制备方法，包括以下步骤：

S1，利用高温高压法制得的IIa型金刚石晶体；