[发明专利]N型金刚石半导体单晶及其生产方法

说明书

 

技术领域

本发明涉及一种金刚石半导体材料，特别是涉及一种N型半导体金刚石单晶及其生产方法。

背景技术

传统的半导体材料以硅为主，随着集成电路制作技术的进一步提升，硅半导体集成电路已经迈入纳米时代，最新的酷睿i7三代CPU芯片集成度已经达到22纳米。按照摩尔定律，每十八个月集成电路的尺寸将缩小一半，使得CPU的频率已经从上个世纪的几百兆跃升到目前的上千兆。但是随着硅半导体芯片的制程进入纳米时代，硅半导体材料的特性已经成为制约芯片性能进一步提升的关键，常规硅半导体CPU的工作温度不能超过150℃，芯片的工作频率越高，发热越厉害，再加上硅本身的散热性能很差，所以进入纳米制程的芯片最大制约因素就是材料本身已经不能适应目前的需要，于是发展出双核、四核甚至六核的酷睿系列CPU，未来硅半导体芯片的发展不可能这样无限拓展下去，因此必须发展新的半导体材料替代硅半导体。

目前已发展起来的新型半导体包括SiC、GaAs、GaN、GaP等，已在不同领域得到了很好应用，比如在LED上得到大量应用的GaN等，但是新型半导体仍然面临散热性能不好影响使用的问题。如目前的大功率LED就因为散热不好，温度过高导致GaN分解，寿命较短，至今没有办法来大力推广。

通过以上分析，可以看出半导体材料已经成为制约半导体技术发展的关键，当我们把目光投向元素周期表时，最有潜力的材料无疑是金刚石。这是因为，金刚石晶体的四面体共价键晶格结构和主要半导体的晶格结构完全相同，但金刚石的原子比其它半导体材料小的多，因此金刚石晶格最紧密，这就是为什么金刚石硬度最高、散热速度最快而且传声速度最大的根本原因。

金刚石密集的四面体晶格结构不仅使它成为最好的散热片，它自身也成为传热速度最快的半导体。金刚石的禁带宽度为5.5eV，是所有半导体材料中禁带宽度最大的半导体，意味着金刚石半导体有比其它半导体有更优异的性能。

从上世纪九十年代开始，各国科学家开始致力于金刚石半导体的开发工作，人们通过各种途径试图制作出金刚石半导体原件，已取得了一些进展，比如发现通过在金刚石晶格中掺硼，得到了P型半导体金刚石，进一步发现在硅中掺入大量的硼，可以提高超导体的临界温度。但是在N型半导体金刚石的制作方面一直没有大的进展，这是因为金刚石的原子半径很小，硅半导体是通过掺硼和掺磷来实现多子（N型）和空穴导电（P型）的。硼原子半径和碳接近，较容易掺入金刚石晶格中，但是磷原子半径过大，掺进金刚石晶格中难度较大，最容易掺入金刚石晶格中的氮本来最有希望替代磷激发金刚石的N型半导体特性，但是氮原子半径很小，对最外层电子的束缚能力很强，所以即使氮替代碳进入金刚石的晶格结构中形成四个共价键，剩余的一个电子也要在温度超过400度才能成为自由电子形成N型半导体。实际上人工合成的金刚石都含有不同程度的氮，所以人工合成的金刚石才会因为氮含量的不同，呈现出呈现出黄色、黄绿色等不同于天然金刚石的颜色。

金刚石的特点是热导率高、击穿电压高、电子与空穴的迁移率很高，因此，特别有望用于功率器件及短波长LED领域。因此，许多研究机构正在对它进行开发。然而，要用金刚石半导体制造电子器件，就必须制造出P型和N型两种半导体。P型金刚石半导体可通过掺硼合成出来。日本住友公司用CVD法(化学气相沉积法)合成N型的金刚石半导体，用甲烷作气源和掺杂磷原子和硫原子，在(111)晶向衬底上合成出N型金刚石半导体，但是该工艺需要采用昂贵的金刚石大单晶片做基板，生长单晶时速度极慢，并且磷和硫的原子半径比碳大的多，这种掺杂极易改变金刚石内部的晶体结构，导致结晶晶格变形，形成大量的结晶缺陷，反而会导致晶体内部电阻增大，其实际性能大打折扣。如何生产出低价、性能优异的N型金刚石半导体单晶，成为未来半导体行业取得突破的关键因素。

发明内容

本发明要解决的技术问题：克服现有技术的缺陷，提供一种载流子浓度高、导电性好、成本低、使用寿命长，适合于新型半导体原件制作的N型金刚石半导体单晶；

还提供了该N型金刚石半导体单晶的生产方法。

本发明的技术方案：

一种N型金刚石半导体单晶，在N型金刚石半导体晶体内含有规则排列替代碳原子的氮原子、锂原子、铍原子，其中氮-锂原子对、氮-铍原子对和锂-氮-铍原子对的总量在100-10000ppm之间，所述N型金刚石半导体单晶的尺寸为0.3-10mm，晶体形状为完整的正六面体、正八面体或六-八面体。