[发明专利]一种金刚石膜表面选区扩散形成P-N结的制备方法

权利要求书

1.一种金刚石膜表面选区扩散形成P-N结的制备方法，其特征在于制作微区P-N结过程均以硼掺杂为基础，采用对轻掺杂金刚石膜进行选区氢原子扩散改性获得局部N型金刚石半导体；具体包括以下步骤：

步骤1：无掺杂本征金刚石膜的沉积；

1.1硅衬底预处理：采用(100)镜面抛光硅片作为衬底，首先使用1:10的HF酸稀释溶液超声清洗5-15min，以去除表面的氧化硅层；再使用粒径100nm的金刚石粉丙酮悬浊液超声10-20min后将硅衬底用丙酮、去离子水分别超声清洗烘干；

1.2无掺杂本征金刚石膜的形核：将步骤1.1预处理后的硅衬底放入微波化学气相沉积装置中进行无掺杂本征金刚石膜的沉积；首先使用真空泵将反应腔室真空抽至5Pa以下，后使用分子泵对反应腔室抽真空至10^-3Pa以下，随后关闭分子泵，并通入氢气，开启微波激发源，待衬底温度达到750-850℃后通入浓度为5％以上的甲烷进行形核；

1.3无掺杂本征金刚石膜的生长：无掺杂本征金刚石膜的形核完成后，进行金刚石膜的生长；

步骤2：金刚石掺杂P型半导体的制备；

无掺杂本征金刚石膜的生长后，将硼源通入反应腔室内，是由氢气作为载气通过鼓泡法将硼酸三甲酯带入腔室；

2.1金刚石重掺杂P型半导体的生长：

为实现掺硼金刚石内载流子完全电离，在无掺杂本征金刚石膜上进一步进行较高浓度的硼掺杂金刚石膜的生长，成为金刚石重掺杂P型半导体，掺硼浓度要求大于10²⁰/cm³量级；

2.2金刚石轻掺杂P型半导体的生长：

金刚石重掺杂P型半导体生长后，为后续获得N型半导体，需进一步进行较低浓度的硼掺杂金刚石膜的生长，要求控制掺硼浓度小于10¹⁶/cm³量级；

步骤3：金刚石局部N型半导体改性；

步骤2.2得到金刚石轻掺杂P型半导体后，要进行局部氢原子扩散改性；扩散改性前，要先关闭甲烷和硼源，调整反应室压力和衬底温度，在金刚石表面增加带有特定形状的掩模板；经氢等离子体处理后，在掩模板保护下，部分轻掺杂P型金刚石半导体将转变为N型半导体，该区域N型半导体与重掺杂P型半导体将形成选区P-N结。

2.根据权利要求1所述一种金刚石膜表面选区扩散形成P-N结的制备方法，其特征在于步骤1.2所述的无掺杂本征金刚石膜的形核过程中，氢气和甲烷流量分别为100-200标准毫升/分和5-20标准毫升/分；反应室压力为3-6kPa，衬底偏压为30-80V，微波功率为700-1400W，形核时间15-45min。

3.根据权利要求1所述一种金刚石膜表面选区扩散形成P-N结的制备方法，其特征在于步骤1.3所述的无掺杂本征金刚石膜的生长过程是：将氢气和甲烷的流量分别设为100-200标准毫升/分和2-10标准毫升/分，反应室压力为4-8kPa，衬底温度850-950℃，微波功率为800-1600W，生长时间1-4h。

4.根据权利要求1所述一种金刚石膜表面选区扩散形成P-N结的制备方法，其特征在于步骤2.1所述的金刚石重掺杂P型半导体的生长过程的具体工艺参数为：氢气和甲烷的流量分别设为100-200标准毫升/分和2-10标准毫升/分，氢气载气流量0.5-2.5标准毫升/分，反应室压力为4-8kPa，衬底温度850-950℃，微波功率为800-1600W，生长时间5min-30min。

5.根据权利要求1所述一种金刚石膜表面选区扩散形成P-N结的制备方法，其特征在于步骤2.2所述的金刚石轻掺杂P型半导体的生长过程的具体工艺参数为：氢气和甲烷的流量分别设为100-200标准毫升/分和2-10标准毫升/分，氢气载气流量0.02-0.1标准毫升/分，反应室压力为4-8kPa，衬底温度850-950℃，微波功率为800-1600W，生长时间0.5-1.5h。

6.根据权利要求1所述一种金刚石膜表面选区扩散形成P-N结的制备方法，其特征在于步骤2.2中所述的反应室压力为2.5-5kPa，衬底温度为400-600℃，氢等离子体处理改性时间为6-12h。