异质结构的N型纳米金刚石薄膜及其制备方法

本发明属于半导体工艺，涉及一种金刚石半导体制备技术，具体涉及一种异质结构的n型纳米金刚石薄膜及其制备方法。

背景技术：

1、金刚石是一种具有宽禁带(～5.5ev)、高热导率(20w/cm·k)、高化学稳定性的半导体材料。其电子迁移率约是si的电子迁移率3倍，是现有宽禁带半导体材料gan、sic的电子迁移率的2倍以上。金刚石的空穴迁移率则是si空穴迁移率的4倍。同时，金刚石的击穿电场强度是硅的约33倍，是gan、sic的2～3倍。考虑到金刚石优异的性质，其是用于制备高功率器件的理想材料。

2、为了顺利在电子器件中应用金刚石的诸多优异性质，制备性能优异，工艺简单的掺杂半导体金刚石材料是其广泛应用的基础。金刚石半导体材料主要分为p型及n型导电。通过微波等离子体气相沉积法(mpcvd)生长及掺杂硼元素能够实现较好导电性能的p型金刚石。然而，较好导电性能的n型金刚石材料目前还无法获得突破。

3、常见的n型金刚石材料主要是通过mpcvd法制备磷掺杂金刚石来实现，然而，其电子迁移率及电子浓度较低，且还不能满足迁移率和浓度都处于较高水平，比如stenger i，pinault thaury m a，temhuki n等公开的论文掺磷金刚石(100)均外延层的电子迁移率【stenger i,pinault-thaury m a,temahuki n,et al.electron mobility in(100)homoepitaxial layers of phosphorus-doped diamond[j].journal of appliedphysics,2021,129(10).】，该技术中制备的金刚石半导体的电子迁移率仅有670cm2/v·s及1016cm-3。另外，磷掺杂金刚石激活能为0.6ev，室温下电子较难电离。

4、此外现有技术cn110565066a(一种共掺杂金刚石及制备方法与半导体材料、装置)公开了一种利用mpcvd共掺杂方法，通过硼硫掺杂剂共掺实现n型金刚石半导体，该技术提供的实施例中，载流子浓度为2.58×1015cm-2，霍尔迁移率为84.97cm2/v·s，该水平仍然不足以大规模使用。

5、此外，现有技术，liu x,chen x,singh d j等提供的论文硼-氧络合物在半导体金刚石中产生n型表面层【liu x,chen x,singh d j,et al.boron-oxygen complex yieldsn-type surface layer in semiconducting diamond[j].proceedings of the nationalacademy of sciences,2019,116(16):7703-7711.】，该论文中通过高温高压法制备硼氧共掺金刚石来实现n型金刚石半导体材料，常温下，电子迁移率仅为70.85cm2/v·s，电子浓度为1.2×1020cm-3，虽然电子浓度比较高，但是电子迁移率难以满足高功率器件的使用要求。而且高温高压法制备的掺杂金刚石时长含有多种杂质，其晶体质量也稍逊。该方法也限制了制成金刚石面积的大小，使其难以在大规模生产中应用。

6、通过上述可知，现有的研究结果并不能支持n型半导体金刚石应用于电子器件，尤其是高功率器件中。因此，n型半导体金刚石的掺杂困难严重限制了高性能金刚石基电子器件的发展和应用。

7、纳米金刚石既具有金刚石的固有优异性质，也具备纳米材料的特殊性质，是金刚石电子器件的新兴候选材料。为解决金刚石的n型掺杂难题，通过构建异质结构，在材料表面产生二维电子气的表面电荷转移掺杂是一种新兴的金刚石掺杂方法。当时该方法还存在诸多问题没有解决，难以产业化应用。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的上述问题，本发明的目的之一在于提供一种n型纳米金刚石薄膜，通过创造多晶金刚石和碳材料混杂结构，使得界面应变、极化作用和非晶碳、石墨烯、石墨相提供较高的电子浓度和电子迁移率，从而使得n型金刚石用于高功率器件成为可能。

2、本发明的另一目的在于提出一种mpcvd异质外延制备n型纳米金刚石薄膜的方法，利用mpcvd工艺在异质衬底上制备上述n型纳米金刚石薄膜，提供了一种流程简单，成本低廉，可产业化的制作方法。

3、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

4、一方面，本发明提供一种异质结构的n型纳米金刚石薄膜，包括异质衬底和外延在异质衬底上的纳米金刚石层，所述纳米金刚石层包括多晶金刚石和分散多晶金刚石之间间隙处的碳材料，多晶金刚石的晶粒尺寸为纳米级。

5、本发明通过多晶金刚石和碳材料混杂创造出相界面，碳材料中至少包括非晶碳、石墨相、石墨烯等。本发明利用界面应变和异质衬底的极化作用使得界面处的多晶金刚石产生n型导电性质，提供了较高的电子浓度和一定的电子迁移率。而存在于纳米金刚石间的非晶碳、石墨烯、石墨相等碳材料则促进了结构的电子迁移率，使得本发明同时兼具高电子浓度和高电子迁移率。

6、优选地，所述多晶金刚石的晶畴尺寸为5nm～100nm。

7、优选地，所述碳材料包括非晶碳、石墨烯、石墨相中的任意一种或几种组合。

8、另一方面，本发明提供一种mpcvd异质外延制备n型纳米金刚石薄膜的方法，包括以下步骤：

9、准备异质衬底，所述异质衬底的晶格常数与多晶金刚石的晶格常数差异不超过25％；

10、对异质衬底进行清洗处理；

11、在异质衬底上制备金刚石籽晶；

12、在具有金刚石籽晶的异质衬底上，利用mpcvd工艺外延制备纳米金刚石层，调控mpcvd工艺参数，使得制备的纳米金刚石层中包含交替分布的多晶金刚石和碳材料，得到n型纳米金刚石薄膜。

13、优选地，外延纳米金刚石层具体方法如下：

14、将异质衬底置于mpcvd腔体中，通入刻蚀气体和碳源气体，调整外延参数生长多晶金刚石，在生长多晶金刚石的同时伴随碳材料生成，形成多晶金刚石和碳材料交替分布的纳米金刚石层。

15、优选地，所述异质衬底的晶格常数与多晶金刚石的晶格常数差异在5％～25％之间，本发明利用异质衬底对表面纳米金刚石的应变作用使得纳米金刚石产生了n型导电，所以选择衬底晶格常数差异在5～25％之间。超过25％外延的多晶金刚石质量就很差，不利于n型导电，小于5％，产生的界面应变太小，对导电性改变不大。选择合适晶格常数差异，使得容易在异质衬底上生长出多晶金刚石，能同时兼具较好导电性和高质量金刚石。

16、进一步优选，选择衬底晶格常数差异在5～10％之间。

17、优选地，所述异质衬底包括aln、ga2o3、gan中的任意一种。

18、优选地，对异质衬底进行清洗处理包括酸处理、有机溶剂清洗、去离子水清洗和干燥。

19、进一步优选地，所述酸处理包括硫酸加热处理、盐酸加热处理，等强酸腐蚀处理。所述有机溶剂清洗包括丙酮、无水乙醇等清洗，所述干燥包括用氮气吹干等常温快速干燥。

20、上述清洗处理酸处理是必须以外，其他根据清洁程度选择，当清洁程度满足要求时无需进行，如果不满足要求，可以增加清洗次数或者更好清洗液。

21、优选地，所述金刚石籽晶通过超声波技术嵌入异质衬底表面内。

22、所述金刚石籽晶的颗粒尺寸级别为微米级，具体操作方式是将金刚石籽晶置于异质衬底表面，以空气或者液体作为介质，采用超声波正对异质衬底产生高频振动，使产生朝向金刚石的力，使得金刚石籽晶嵌入异质衬底表面内。

23、优选地，制备的纳米金刚石层中，多晶金刚石的晶畴尺度为5nm～100nm。

24、优选地，制备的纳米金刚石层厚度为5～500nm。

25、优选地，异质衬底厚度为10nm-1mm。

26、优选地，所述mpcvd工艺参数为：温度为750～900℃，微波功率为3.7～6.0kw，压强为100～210mbar，刻蚀气体流量为100～1000sccm，碳源浓度为2％～10％。

27、所述刻蚀气体包括氢气、氢气-氩气混合气体。

28、所述碳源气体包括甲烷、乙醇蒸汽、丙酮蒸汽和二氧化碳中的任意一种。

29、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

30、1、本发明通过异质外延技术，获得了困扰业界的高电子浓度和高电子迁移率的n型纳米金刚石薄膜。

31、2、本发明的制备方法步骤简单、成本低、可控性强。制得的n型纳米金刚石薄膜可广泛用于金刚石基电子器件的制造，应用于多种高功率器件。