[发明专利]一种激光诱导单晶金刚石表面掺杂的装置及方法

说明书

本发明属于半导体材料技术领域，公开了一种激光诱导单晶金刚石表面掺杂的装置及方法。本发明采用超短脉冲激光将含有掺杂元素的掺杂溶液进行激发、电离，产生掺杂粒子，利用超短脉冲激光使掺杂粒子注入至金刚石的表面，在金刚石的表面诱导产生掺杂导电层。本发明能够制备电导率良好的金刚石掺杂层，同时也能够灵活选择掺杂区域和掺杂浓度，制备重掺杂区域，能够实现性能优异的金刚石半导体材料的制备。

技术领域

本发明属于半导体材料技术领域，更具体地，涉及一种激光诱导单晶金刚石表面掺杂的装置及方法。

背景技术

金刚石材料具有禁带宽度大(5.5eV)、热导率高、传声速度高、介电常数小等特点，其集力学、电学、热学、声学、光学和耐蚀等优异性能于一身，是目前最有发展前途的宽禁带半导体材料之一。据报道，目前金刚石肖特基二极管工作温度可达1000℃。金刚石半导体的工作温度范围相较于普通半导体有很大的提升，并且其工作频率范围也比普通半导体更广。

金刚石本身是绝缘体，但如果通过元素掺杂(硼元素、磷元素、砷元素等)的方式，就可以改变金刚石的性质，使其成为性质优良的半导体材料。目前金刚石掺杂存在诸多问题，比如掺杂原子浓度普遍较低、载流子浓度不高等，特别是对于n型金刚石的制备，通常采用磷原子掺杂的方式，但是由于磷原子较大，难以进入金刚石晶格内部，导致载流子浓度较低，掺杂后的金刚石通常需要进行高温退火处理，该过程可能会导致金刚石发生石墨化，从而对其电导率产生明显影响。此外，为了形成良好的欧姆接触，通常需要在掺杂金刚石表面制备重掺杂区域，而常规掺杂设备及方法难以对重掺杂区域进行选区制备，从而导致金刚石欧姆接触制备工艺较为复杂，且因电导率较低，从而影响在半导体器件上的应用。

发明内容

本发明通过提供一种激光诱导单晶金刚石表面掺杂的装置及方法，解决现有技术中金刚石掺杂的工艺较复杂、导电率较低问题。

本发明提供一种激光诱导单晶金刚石表面掺杂的方法，采用超短脉冲激光将含有掺杂元素的掺杂溶液进行激发、电离，产生掺杂粒子，利用超短脉冲激光使所述掺杂粒子注入至金刚石的表面，在金刚石的表面诱导产生掺杂导电层。

优选的，基于单源激光进行诱导掺杂，利用第一激光源及与其连接的第一光参量放大器产生第一超短脉冲激光，所述超短脉冲激光包括所述第一超短脉冲激光；所述第一超短脉冲激光的波长范围与金刚石中的化学键共振范围匹配；

或者，基于双源激光进行诱导掺杂，利用第一激光源及与其连接的第一光参量放大器产生第一超短脉冲激光，利用第二激光源及与其连接的第二光参量放大器产生第二超短脉冲激光，所述超短脉冲激光包括所述第一超短脉冲激光和所述第二超短脉冲激光；所述第一超短脉冲激光的波长范围与金刚石中的化学键共振范围匹配，所述第二超短脉冲激光的波长范围与所述掺杂溶液中的化学键共振范围匹配。

优选的，利用超短脉冲激光使所述掺杂粒子注入至金刚石的表面时，所述超短脉冲激光的脉冲时间为250-350ps，能量密度为3.8-4.2J/cm²，激光重复频率为1-5Hz，照射次数为500-600次。

优选的，对金刚石进行n型掺杂时，所述掺杂溶液为磷酸或第一混合酸；所述第一混合酸中含磷元素的酸占混合酸的30％至90％；对金刚石进行p型掺杂时，所述掺杂溶液为硼酸或第二混合酸；所述第二混合酸中含硼元素的酸占混合酸的30％至90％。

优选的，在金刚石的表面覆盖掩模版，所述掩模版包括微透镜阵列和空腔，所述微透镜阵列用于对超短脉冲激光进行聚焦，所述空腔用于在所述掩模版与金刚石的表面之间形成一个密封腔体，所述密封腔体内装有所述掺杂溶液。

优选的，所述激光诱导单晶金刚石表面掺杂的方法包括以下步骤：

步骤1：对金刚石进行预处理，所述预处理包括表面抛光；