[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

说明书

技术领域：本发明属于无机非金属材料器件制造工艺领域；特别是提供了一种在宽禁带半导体金刚石自支撑膜上通过硼原子掺杂结合掩模进行氢原子扩散改性的方式实现选区P-N结的方法。

背景技术：

随着通信技术向着极高频、超大容量方向发展，要求通讯卫星上的关键部件如信号接收端与发射端，在极高频率、超大功率下工作。此时传统的半导体材料如Si、GaAs等已难以胜任。相比而言，金刚石材料由于具有宽带隙(5.5eV)、高载流子迁移率(特别是空穴迁移率比单晶Si、GaAs高得多)、低介电常数(5.7)、高的Johnson指标和Keyse指标(均高于Si和GaAs十倍以上)等等，成为极高频超高功率领域应用的最佳材料选择，因此也被誉为第四代半导体。

然而，金刚石很难像硅半导体等通过形成P-N结结构进而实现晶体管的构造。这是由于对于金刚石而言以电子为多数载流子的N型半导体很难实现所致。通常使用的掺杂氮原子在金刚石中将成为深能级，其激活能达到1.7eV，载流子很难激活。尽管早期国际上通过在金刚石中掺入杂质磷获得了性能较好的N型半导体，同时与掺硼金刚石形成了P-N结(US Patent，5112775，1992)但由于磷原子较大，引起金刚石发生较大畸变，使得N型半导体性能不稳定。因此国内外提出了使用N型ZnO和P型硼掺杂同质外延单晶或异质外延多晶金刚石搭配形成异质结的方法(Applied Physics Letters，18(1999)2851；国家发明专利：101303973A，2008)。然而对于异质外延而言，需要保证二者具有足够精确地点阵匹配，才能够具有良好的性能，无形中增加了P-N结的工艺难度和加工成本，诸如金刚石的精密抛光等问题。另一方面，构建基于P-N结的半导体器件通常需要在微区实现掺杂从而满足电子芯片高集成度要求，对于使用掺杂而言，通过离子注入的形式通常很难精确控制杂质分布且易造成对于金刚石晶体的损伤，因而难于获得良好的P-N结结构。

发明内容：

为了解决金刚石表面难于获得微区P-N问题，本发明的目的在于提供一种金刚石膜表面通过掺杂形成P型半导体后通过掩模氢原子扩散改性成为局部N型半导体，最终实现金刚石基表面选区P-N结的方法。初期通过将衬底置于高本底真空的微波等离子体化学气相沉积装置中，通过控制形核和生长工艺参数，获得高质量非掺杂本征金刚石膜。后引入高浓度硼源，获得重掺杂金刚石P型半导体，目的是使得空穴载流子完全激活。随后调整掺硼浓度，降低硼掺杂浓度至很容易与氢原子结合并饱和的水平，实现低掺杂浓度金刚石膜的生长。生长结束后，关闭碳源和硼源，并降低氢等离子体功率与衬底温度，此时在金刚石表面增加具有特定图形的掩模板，对特定区域内轻掺杂金刚石膜进行氢等离子体扩散改性，通过氢原子扩散并与硼受主杂质结合产生局部N型半导体导电特征，该N型半导体与硼重掺杂金刚石将形成选区P-N结结构。

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HF酸稀释溶液(1:10)超声清洗5-15min，以去除表面的氧化硅层；为增加金刚石膜的形核密度与结合力，使用粒径100nm的金刚石粉丙酮悬浊液超声清洗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。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。

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

步骤2：金刚石掺杂P型半导体的制备；