一種單晶金剛石表面原位n型半導(dǎo)體化全碳結(jié)構(gòu)的制備方法，屬于半導(dǎo)體基礎(chǔ)電路用基體材料制備領(lǐng)域。工藝步驟為：a.利用機(jī)械拋光將單晶金剛石拋光至表面粗糙度低于1nm；b.酸洗并采用H₂等離子體原位刻蝕，使籽晶表面形成微觀形核點(diǎn)；c.將單晶金剛石基底置于鉬托微槽內(nèi)，樣品表面至槽高度與樣品和微槽間隙比例保持在0.5?0.7之間；d.以單晶金剛石為籽晶，通過控制沉積工藝抑制含碳基團(tuán)的空間傳輸與表面擴(kuò)散，在單晶金剛石表面sp³結(jié)構(gòu)下抑制抽取反應(yīng)，依賴單晶金剛石的臺階與缺陷區(qū)，實(shí)現(xiàn)超納米金剛石形核與生長；同時(shí)摻氮實(shí)現(xiàn)超納米金剛石的n型摻雜，最終在未改變單晶金剛石籽晶原始條件下實(shí)現(xiàn)表面原位n型導(dǎo)電超納米金剛石薄層的制備，形成一種全碳結(jié)構(gòu)的金剛石半導(dǎo)體。

技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體基礎(chǔ)電路用基體材料制備領(lǐng)域；特別是在單晶金剛石表面利用等離子刻蝕與氣相沉積，在金剛石表面直接原位半導(dǎo)體化形成n型超納米金剛石薄層，得到一種全碳結(jié)構(gòu)的金剛石半導(dǎo)體。

技術(shù)背景

金剛石具有更寬的帶隙(5.5eV)、高載流子遷移率(特別是空穴遷移率比單晶Si、GaAs高得多)、低介電常數(shù)(5.7)、極高的Johnson指標(biāo)和Keyse指標(biāo)(均高于Si和GaAs十倍以上)等等，被譽(yù)為高頻高功率以及高溫耐壓領(lǐng)域的終極寬禁帶半導(dǎo)體，也被稱為第四代半導(dǎo)體。且因其具有的極佳的穩(wěn)定性而使得半導(dǎo)體器件能夠在極端環(huán)境下正常工作。然而，金剛石中碳原子半徑和晶格常數(shù)較小，禁帶寬度大，因此許多雜質(zhì)原子在金剛石中溶解度很低，且雜質(zhì)的電離能較高制約了金剛石半導(dǎo)體的發(fā)展。摻入金剛石膜中的n型雜質(zhì)能級深，導(dǎo)致載流子濃度低，遷移率小，電阻率高，目前離子摻雜仍面臨諸多問題。關(guān)于n型金剛石的制備方法多采用CVD法和離子注入的方法，相關(guān)研究取得了一定進(jìn)展，但效果仍不理想，且破壞了金剛石本身晶體完整性。為此學(xué)者們開始探索并研究了氮摻雜超納米金剛石的方式實(shí)現(xiàn)n型導(dǎo)電(Phys.Rev.B.74,235434(2006)及其導(dǎo)電機(jī)制(Phys.Rev.B.70,125412(2004))。由于是超納米金剛石中存在大量的晶界，且氮在晶界區(qū)域引起了滲流途徑而提高了n型導(dǎo)電，隨著氮含量的增加提高了載流子遷移率和擴(kuò)寬能帶而使電導(dǎo)率絕對值提高。Neda等用氮摻雜超納米金剛石實(shí)現(xiàn)了n型導(dǎo)電而制備了壓阻傳感器(DiamondRelat.Mater.70,145150(2016)；Abdelrahman等使用氮摻雜n型超納米金剛石制得了紫外探測器(Appl.Phys.A.123,167(2017))。可見氮摻雜n型超納米金剛石成為了金剛石n型半導(dǎo)體化的有效方法，且其性能已達(dá)到了硼摻雜金剛石的水平。但是，當(dāng)前氮摻雜n型超納米金剛石薄膜制備均采用異質(zhì)基底，如Si等，往往由于襯底低的熱導(dǎo)率與低的耐壓性，使得金剛石優(yōu)良的電學(xué)性能難以發(fā)揮，限制了超納米金剛石優(yōu)異性能的充分應(yīng)用。與此同時(shí)，在異質(zhì)襯底上生長納米金剛石甚至超納米金剛石，為提高形核率往往需要采用機(jī)械研磨或偏壓等方法，使得生長工藝復(fù)雜，且易引起基片的應(yīng)力與變形。

發(fā)明內(nèi)容

為解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提出一種基于高導(dǎo)熱單晶金剛石為基底形核生長超納米n型金剛石，從而形成一種兼具良好導(dǎo)熱與導(dǎo)電特性的全金剛石碳結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體。采用機(jī)械拋光將單晶金剛石拋光達(dá)到極低粗糙度后，通過酸洗將其置于鉬托微槽內(nèi)，保證樣品與槽保持一定幾何學(xué)關(guān)系，采用H₂等離子體原位刻蝕使籽晶表面形成微觀形核點(diǎn)。隨后通過控制沉積工藝，在不改變金剛石籽晶原始條件下依賴單晶金剛石刻蝕后的臺階與缺陷區(qū)，實(shí)現(xiàn)超納米金剛石形核的同時(shí)摻氮實(shí)現(xiàn)n型摻雜生長，滿足表面原位n型導(dǎo)電超納米金剛石薄層的制備，形成一種全碳結(jié)構(gòu)的金剛石半導(dǎo)體。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種單晶金剛石表面原位n型半導(dǎo)體化的制備方法。其特征在于通過微波等離子體刻蝕與氣相沉積技術(shù)在單晶金剛石表面直接生成n型導(dǎo)電超納米金剛石薄層，工藝步驟為如下：

(1)單晶金剛石籽晶的研磨和拋光