[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

摘要

一种金刚石膜表面选区扩散形成P-N结的制备方法，属于无机非金属材料领域。工艺步骤如下：a.利用高本底真空微波等离子体化学气相沉积装置，通过控制金刚石生长特征获得高质量非掺杂本征金刚石膜；b.等离子体中引入高浓度硼源实现高掺杂浓度金刚石膜P型半导体的生长，以使得空穴载流子能够完全激活；c.降低硼源浓度生长轻掺杂金刚石膜，为后续氢原子扩散提供宿体；d.关闭碳源和硼源，并在掺硼金刚石表面增加掩膜版，使局部表面在低温下进行氢原子长时扩散改性，使得暴露于氢原子下的轻硼掺杂金刚石膜向N型半导体转变，进而形成选区P-N结。本发明能够便捷地实现金刚石表面微区P-N结结构，方便基于P-N结型金刚石微电子器件的制作。

主权项

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。