通过CVD制备的单晶金刚石制造技术

本发明专利技术提供通过ＣＶＤ制备的单晶金刚石，其具有一种或多种使得该金刚石适于在电子领域中应用的电子特征。本发明专利技术还提供制造单晶ＣＶＤ金刚石的方法。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

技术介绍
本专利技术涉及金刚石，尤其涉及通过化学气相沉积法(此后称为CVD)生产的金刚石。通过CVD，在基材上沉积材料如金刚石的方法现被完全建立并已广泛公开在专利和其它文献中。在将金刚石沉积在基材的情况下，该方法通常包括提供气体混合物，该气体混合物在解离时可提供原子形式的氢或卤素(如F，Cl)和C或含碳基团和其它活性物种，如CHx，CFx，其中x可以是1-4。另外，可存在含氧源，正如可存在氮源和硼源一样。在许多方法中，也存在惰性气体如氦气、氖气或氩气。因此，典型的源气体混合物将含有烃类CxHy，其中x和y可以各自为1-10，或卤代烃CxHyHalz(Hal＝卤素)，其中x和z可以各自为1-10，和y可以是0-10，和任选的下述的一种或多种COx，其中x可以是0.5-2，氧气、氢气、氮气、氨气、B2H6和惰性气体。各气体可以以其天然同位素比存在，或可人工控制相对同位素比；例如氢可以以氘或氚形式存在，和碳可以以12C或13C形式存在。通过能量源如微波、RF能量、火焰、热灯丝或喷射基技术引起源气体混合物的解离，并使所产生的活性气体物种沉积在基材上并形成金刚石。可在各种基材上生产CVD金刚石。取决于基材的性质与过程化学的细节，可产生多晶或单晶CVD金刚石。在文献中已报道了均相外延CVD金刚石层的生产。欧洲专利公开号0582397公开了生产多晶CVD金刚石膜的方法，所述多晶CVD金刚石具有至少7微米的平均晶粒尺寸，并且在10kV/cm的电场强度下，其电阻率、载流子迁移率和载流子寿命产生至少10μm的收集距离。这种质量的金刚石膜适于用作射线检测器。然而，收集距离低至7μm的薄膜的应用是非常有限的。欧洲专利公开号0635584公开了使用低甲烷含量(小于0.07％)和氧化剂的电弧喷射工艺，生产CVD多晶金刚石膜的方法。所述金刚石材料具有窄的拉曼峰、相对大的晶格常数和大于25μm的载流子收集距离。然而，据信多晶金刚石膜在电子应用方面的性能由于存在晶粒边界而受到负面影响。以前尚未有关于单晶CVD金刚石可充分控制地生长，以实现高性能检测器材料方面的报道。据报道，在天然单晶金刚石上测量的收集距离在10kV/cm下为约28μm，在26kV/cm的偏压下为约60μm。在高质量的IIa型天然单晶金刚石中，在最高达25kV/cm的偏压下，收集距离几乎随偏压线性变化，这与多晶材料不同，多晶材料一般在约10kV/cm下即显示出收集距离的饱和。杂质和晶格缺陷的存在降低自由载流子的迁移率和自由载流子重组的载流子寿命，从而可负面影响单晶金刚石的收集距离。现有技术本身通常关心CVD金刚石的热、光学和机械性能。专利技术概述按照本专利技术的第一个方面，提供通过CVD制备的单晶金刚石，其具有至少一种下述特征(i)在断开状态，电阻率R1大于1×1012Ωcm，优选大于2×1013Ωcm，更优选大于5×1014Ωcm，所有电阻率均在50V/μm的外加电场和在300K下(或20℃，对于本专利技术的目的，认为二者是相当的)测量；(ii)在断开状态下的高击穿电压，和在接通状态下的高电流和长的载流子寿命，和更特别地，μτ乘积大于1.5×10-6cm2/V，优选大于4.0×10-6cm2/V，更优选大于6.0×10-6cm2/V，所有测量在50V/μm的外加电场和300K下进行。μ是迁移率，τ是电荷载体的寿命，其乘积表示电荷载体对总的电荷位移或电流的贡献。也可以用电荷收集距离来测量和表达该特征；(iii)在300K下测量的电子迁移率(μe)大于2400cm2V-1s-1，优选大于3000cm2V-1s-1，更优选大于4000cm2V-1s-1。据报道，在高质量的IIa型天然金刚石中，在300K下电子迁移率典型地为1800cm2V-1s-1，报道的特殊值最高达2200cm2V-1s-1；(iv)在300K下测量的空穴迁移率(μh)大于2100cm2V-1s-1，优选大于2500cm2V-1s-1，更优选大于3000cm2V-1s-1。据报道，在高质量IIa型天然金刚石中，在300K下空穴迁移率典型地为1200cm2V-1s-1，报道的特殊值最高达1900cm2V-1s-1；(v)大于150μm，优选至少400μm，和更优选至少600μm的高电荷收集距离，所有收集距离在1V/μm的外加电场和300K下测量。据报道，在高质量IIa型天然金刚石中，在300K和1V/μm的外加电场下，电荷收集距离显著小于100μm，更典型地为约40μm。在宽带隙设备如由金刚石制造的设备中，在平衡条件下存在的自由电荷载体数量非常小，且受到晶格缺陷和杂质的支配，这样的设备被称为处在“断开状态”。借助例如光学激发(主要使用接近或大于带隙的光能)或通过带电粒子激发(如α或β粒子)，通过额外激发电荷载体可使该设备进入“接通状态”。在接通状态下，自由载流子密度超过平衡水平，并且当移去激发源时，该设备将重新转到断开状态。从以上可看出，本专利技术的金刚石的电子特征显著优于在天然高质量金刚石中存在的那些特征。这是令人惊奇的，并提供了具有对于例如电子应用和检测器有用的性能的金刚石。本专利技术的单晶CVD金刚石的化学纯度高，并基本上没有晶体缺陷。a)电阻率因此，在本专利技术的一种形式中，本专利技术的单晶CVD金刚石在高的外加电场下，在断开状态下具有高的电阻率，更具体而言，在50V/μm的外加电场下，在300K下测量的电阻率R1大于1×1012Ωcm，优选大于2×1013Ωcm，更优选大于5×1014Ωcm。在这种高的外加电场下的这种电阻率，表明了金刚石的纯度和基本上不存在杂质与缺陷。在较低的外加电场，如＜30V/μm下，具有较低纯度或晶体完美性的材料可能显示出高的电阻率，但在大于30V/μm和通常最高45V/μm的外加电场下，随着漏泄电流快速升高，显示出击穿行为。可通过本领域已知的方法，由测量的漏泄(暗)电流确定电阻率。试验样品制备成均匀厚度的平板，使用标准的金刚石清洁技术进行清洁，以便接受合适的接触点(蒸发、溅射或掺杂的金刚石)，该接触点外接到电压源上，然后部分或全部封装，以避免闪络的危险。重要的是应确保封装并不显著增加所测量的漏泄电流。典型的样品大小为厚为0.01-0.5mm，横向为3×3mm-50×50mm，但也可使用较小或较大的尺寸。b)μτ乘积本专利技术的单晶CVD金刚石可具有大于1.5×10-6cm2/V的μτ乘积，优选大于4.0×10-6cm2/V的μτ乘积，和更优选大于6.0×10-6cm2/V的μτ乘积，所有测量在300K下进行。μτ乘积与电荷收集距离按照下述等式相关μτE＝CCD(cm2/Vs)×(s)×(V/cm)＝cm其中E＝外加电场本专利技术的单晶CVD金刚石，尤其是其优选形式，具有高的μτ乘积，也就是说它具有高的电荷收集距离，比任何其它已知的单晶CVD金刚石所达到的μτ乘积高得多。当使用电极将电场施加到样品上时，可能分离通过样品的光子照射产生的电子-空穴对。空穴向阴极漂移，电子向阳极漂移。短波长(紫外光或UV光)和光子能量在金刚石的带隙之上的光具有很小的渗透入金刚石内的深度，并且通过使用这类光，可以鉴别仅依赖于电极被照射的一类载流子的贡献。以下述方式测量在本说明书中所指的μτ乘积(i)将金刚石样品制备成厚度超本文档来自技高网...

【技术保护点】
通过ＣＶＤ制备的单晶金刚石，其具有至少一种下述特征： （ｉ）在断开状态，在５０Ｖ／μｍ的外加电场和在３００Ｋ下测量的电阻率Ｒ↓［１］大于１×１０↑［１２］Ωｃｍ； （ｉｉ）在断开状态下的高击穿电压，和在接通状态下的高电流和长的载流子寿命； （ｉｉｉ）在３００Ｋ下测量的电子迁移率（μ↓［ｅ］）大于２４００ｃｍ↑［２］Ｖ↑［－１］ｓ↑［－１］； （ｉｖ）在３００Ｋ下测量的空穴迁移率（μ↓［ｈ］）大于２１００ｃｍ↑［２］Ｖ↑［－１］ｓ↑［－１］；和 （ｖ）在１Ｖ／μｍ的外加电场和３００Ｋ下测量的大于１５０μｍ的高电荷收集距离。

【技术特征摘要】
GB 2000-6-15 0014693.6;GB 2001-3-20 0106930.11.通过CVD制备的单晶金刚石，其具有至少一种下述特征(i)在断开状态，在50V/μm的外加电场和在300K下测量的电阻率R1大于1×1012Ωcm；(ii)在断开状态下的高击穿电压，和在接通状态下的高电流和长的载流子寿命；(iii)在300K下测量的电子迁移率(μe)大于2400cm2V-1s-1；(iv)在300K下测量的空穴迁移率(μh)大于2100cm2V-1s-1；和(v)在1V/μm的外加电场和300K下测量的大于150μm的高电荷收集距离。2.权利要求1的单晶金刚石，其在50V/μm的外加电场和在300K下测量的电阻率大于2×1013Ωcm。3.权利要求1的单晶金刚石，其在50V/μm的外加电场和在300K下测量的电阻率R1大于5×1014Ωcm。4.前述权利要求中任何一项的单晶金刚石，其在300K下测量的μτ乘积大于1.5×10-6cm2/V，其中μ是迁移率，τ是电荷载体的寿命。5.权利要求4的单晶金刚石，其在300K下测量的μτ乘积大于4.0×10-6cm2/V。6.权利要求4的单晶金刚石，其在300K下测量的μτ乘积大于6.0×10-6cm2/V。7.前述权利要求中任何一项的单晶金刚石，其在300K下测量的电子迁移率(μe)大于3000cm2V-1s-1。8.权利要求7的单晶金刚石，其在300K下测量的电子迁移率(μe)大于4000cm2V-1s-1。9.前述权利要求中任何一项的单晶金刚石，其在300K下测量的空穴迁移率(μh)大于2500cm2V-1s-1。10.权利要求9的单晶金刚石，其在300K下测量的空穴迁移率大于3000cm2V-1s-1。11.前述权利要求中任何一项的单晶金刚石，其在300K下测量的收集距离大于400μm。12.权利要求11的单晶金刚石，其在300K下测量的收集距离大于600μm。13.前述权利要求中任何一项的单晶金刚石，其具有特征(i)、(ii)、(iii)、(iv)和(v)中的每一个。14.制备前述权利要求中任何一项的单晶金刚石的方法，该方法包括下述步骤提供表面基本上没有晶体缺陷的金刚石基材，提供源气体，使源气体解离，和在含有小于300ppb氮的气氛中，在基本上没有晶体缺陷的表面上进行均相外...

【专利技术属性】
技术研发人员：GA斯卡布鲁克，PM马蒂诺，JL科林斯，RS萨斯曼，BSC多恩，AJ怀特黑德，DJ特维切，
申请(专利权)人：六号元素控股公司，
类型：发明
国别省市：ZA[南非]