一种金刚石N型激光掺杂方法及装置与流程

本发明涉及金刚石掺杂领域，具体涉及一种金刚石n型激光掺杂方法及装置。

背景技术：

1、金刚石是一种超宽禁带半导体材料，具有优异的物理特性，极高的热导率，达到22w·cm-1·k-1，5.5ev的超宽禁带宽度，高的载流子迁移率，电子迁移率为3800cm2/(v·s)，空穴迁移率为4500cm2/(v·s)，击穿场强高达13mv/cm，其物理特性优于第三代半导体材料gan和sic，在功率电子器件领域有广阔的应用前景。

2、未掺杂的纯净金刚石是一种极好的绝缘体，电阻率ρ＞1015ω·cm，实现p型和n型导电是制备金刚石半导体器件的基础要求，其中p型金刚石的发展较为成熟，主流的掺杂元素是硼，但在高掺杂时存在空穴迁移率迅速下降的问题；n型金刚石目前主流的掺杂元素是磷，还存在杂质能级深、电离能较大的问题，以及掺杂之后金刚石晶体中的缺陷造成载流子浓度和迁移率都比较低，电阻率难以达到器件的要求。

3、金刚石的掺杂主要有高温高压法(high temperature and high pressure，hthp)生长时掺入、化学气相沉积法(chemical vapor deposition，cvd)生长时掺入和离子注入法。当前对于金刚石的掺杂，特别是n型掺杂，掺杂难度较大；hthp以n型掺杂为主，但难以激活；cvd以p型掺杂为主，对n型掺杂的研究较少；离子注入法会造成晶格损伤，且金刚石存在石墨化损伤阈值，退火时超过阈值金刚石晶格无法恢复，易导致掺杂失效。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：提供一种金刚石n型激光掺杂方法及装置，能够形成有效n型掺杂。

2、本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种金刚石n型激光掺杂方法，包括：

3、将金刚石衬底置于一定低氧浓度的环境中；采用第一激光对所述金刚石衬底的表面进行微改质处理；

4、将微改质处理后的金刚石衬底置于含有一定掺杂元素浓度的掺杂溶液中；采用第二激光一定次数扫描作用进行n型激光掺杂。

5、按上述方法，所述第一激光的参数为：波长150-360nm、脉宽1-100ns，功率密度2-7j/cm2。

6、按上述方法，所述的微改质处理由第一激光对金刚石衬底的表面进行步进扫描式加工完成，步进重叠率10-60％，扫描重叠率50-90％。

7、按上述方法，所述一定低氧浓度的环境为惰性气体密封环境，通过对预处理主腔体抽气及充惰性气体得到，所述金刚石衬底置于预处理腔体中；

8、其中，预处理腔体设有保护玻璃，作为激光的透光面。

9、按上述方法，所述的第二激光的参数为：波长150-360nm、脉宽1-100ns，激光功率密度2-8j/cm2，激光的作用次数10-200次，使金刚石衬底载流子浓度在1e17atoms/cm3以上。

10、按上述方法，所述n型激光掺杂由第二激光对金刚石衬底表面进行连续多次作用加工完成。

11、按上述方法，所述的掺杂溶液置于掺杂主腔体中，掺杂主腔体具有一透光面，掺杂溶液与透光面接触，第二激光通过所述透光面对掺杂液体中的金刚石表面进行n型激光掺杂。

12、用于实现所述的金刚石n型激光掺杂方法的装置，包括

13、激光单元，用于提供所述的第一激光和第二激光；

14、预处理腔体单元，用于提供所述的密封环境；

15、掺杂溶液环境控制单元，包括掺杂主腔体；所述的掺杂主腔体用于盛放所述掺杂溶液，并固定所述金刚石衬底；

16、载台，用于放置所述预处理腔体单元和掺杂溶液环境控制单元；

17、三维移动台，固定在所述载台下方，用于控制载台的三维移动，使得所述第一激光对所述金刚石衬底的表面进行微改质处理、以及第二激光聚焦在微改质处理后的金刚石衬底表面扫描作用进行n型激光掺杂；

18、控制单元，用于分别控制所述激光单元、预处理腔体单元、掺杂溶液环境控制单元和三维移动台。

19、按上述装置，所述的激光单元包括依次光路连接的激光器、整形透镜组、视场掩膜和聚焦镜组。

20、按上述装置，所述的掺杂溶液环境控制单元还包括循环管路；循环管路与掺杂主腔体的首尾连接使得掺杂溶液在掺杂主腔体和循环管路之间循环，循环管路上还设有补给模块和过滤装置，补给模块用于补充掺杂元素，过滤装置用于过滤激光掺杂时产生的杂质；

21、所述的掺杂主腔体上设有通气口和注液口，掺杂主腔体上盖有保护玻璃；所述的循环管路包括主循环管路，主循环管路上设有用于推动掺杂液体循环的循环泵、用于获取掺杂元素浓度的浓度检测仪、所述的过滤装置；所述的补给模块与主循环管路并联，并在连入主循环管路处设有阀门。

22、本发明的有益效果为：

23、1、先利用激光将金刚石表面进行微改质处理，然后直接将金刚石处于掺杂溶液浸没环境中激光掺杂，能够提升掺杂载流子浓度，进而形成有效n型掺杂。

24、2、本发明采用第一激光对金刚石进行微改质时，采用光斑单次扫描，控制重叠率的方法，形成均匀的和特定的微改质处理，采用第二激光对金刚石进行掺杂时，采用连续多次激光作用的方式，能够提升掺杂载流子浓度，形成有效的n型掺杂。

25、3、掺杂溶液通过闭环控制其浓度和分离杂质，从而保证掺杂元素的浓度，以及尽快分离掉掺杂过程中产生的阻隔激光的杂质，进而保证有效n型掺杂。

技术特征：

1.一种金刚石n型激光掺杂方法，其特征在于：包括：

2.根据权利要求1所述的金刚石n型激光掺杂方法，其特征在于：所述第一激光的参数为：波长150-360nm、脉宽1-100ns，功率密度2-7j/cm2。

3.根据权利要求2所述的金刚石n型激光掺杂方法，其特征在于：所述的微改质处理由第一激光对金刚石衬底的表面进行步进扫描式加工完成，步进重叠率10-60％，扫描重叠率50-90％。

4.根据权利要求1所述的金刚石n型激光掺杂方法，其特征在于：所述一定低氧浓度的环境为惰性气体密封环境，通过对预处理主腔体抽气及充惰性气体得到，所述金刚石衬底置于预处理腔体中；

5.根据权利要求1所述的金刚石n型激光掺杂方法，其特征在于：所述的第二激光的参数为：波长150-360nm、脉宽1-100ns，激光功率密度2-8j/cm2，激光的作用次数10-200次，使金刚石衬底载流子浓度在1e17atoms/cm3以上。

6.根据权利要求5所述的金刚石n型激光掺杂方法，其特征在于：所述n型激光掺杂由第二激光对金刚石衬底表面进行连续多次作用加工完成。

7.根据权利要求5或6所述的金刚石n型激光掺杂方法，其特征在于：所述的掺杂溶液置于掺杂主腔体中，掺杂主腔体具有一透光面，掺杂溶液与透光面接触，第二激光通过所述透光面对掺杂液体中的金刚石表面进行n型激光掺杂。

8.一种用于实现权利要求1至7中任意一项所述的金刚石n型激光掺杂方法的装置，其特征在于：包括

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：所述的激光单元包括依次光路连接的激光器、整形透镜组、视场掩膜和聚焦镜组。

10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：所述的掺杂溶液环境控制单元还包括循环管路；循环管路与掺杂主腔体的首尾连接使得掺杂溶液在掺杂主腔体和循环管路之间循环，循环管路上还设有补给模块和过滤装置，补给模块用于补充掺杂元素，过滤装置用于过滤激光掺杂时产生的杂质；

技术总结本发明提供一种金刚石N型激光掺杂方法及装置，将金刚石衬底置于一定低氧浓度的环境中，采用第一激光对所述金刚石衬底的表面进行微改质处理；将微改质处理后的金刚石衬底置于含有一定掺杂元素浓度的掺杂溶液中；采用第二激光一定次数扫描作用进行N型激光掺杂。本发明先激光微改质，然后直接将金刚石处于掺杂溶液浸没环境中激光掺杂，能够提升掺杂载流子浓度，进而形成有效N型掺杂。技术研发人员：陈杰,蒋一鸣,杨震,朱凡受保护的技术使用者：武汉帝尔激光科技股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/5