[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

摘要

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。

主权项

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。