Способ получения полупроводникового алмаза Советский патент 1984 года по МПК C30B31/22 C30B29/04 

11 Изобретение относится к способу получения полупроводникового алмаза. Известен способ бомбардировки алмаза при комнатной температуре после отжига при повьппенных температурах l Хотя бомбардировка при комнатной температуре после отжига может оказаться успешной при применении кремния, доказана неэффективность ее для алмаза, так как алмазная структура, превратившаяся в аморфный углерод, н может быть регенерирована простым нагревом до повьпленной температуры, важно, чтобы бомбардировка вьтолнялась, пока кристалл находится при по вышенных температурах. Наиболее близким к предлагаемому является способ получения полупровод никового алмаза путем обработки его потоком ионов углерода при комнатной температуре с последующим отжигом 2J Доза облучения низка, а алмаз является таким хорошим проводником теп ла, что подъем температуры во время облучения будет незначительным. Так как температура не достигает , а почти равняется окружающей, алмаз превращается в аморфную или гр фитовую форму, и электрические свойс за соответствуют тому, что алмаз постепенно разрушается при низкой дозе внедрения углерода. Кроме того, наличие азота в природном алмазе отрицательно влияет на его полупроводниковые свойства, получаемь(е простой бомбардировкой природных алмазов легирующими примесями. Цель изобретения - улучшение электрических свойств. Указанная цель достигается тем, что согласно способу получения полупроводникового алмаза путем бомбардировки его потоком ионов углерода процесс ведут при 600-1075 С и энергии ионов углерода 1-100 кэВ с одновременной или последукщей бом.бардировкой ионами легирующей примеси, В качестве легирующей примеси используют преимущественно ионы бора, фосфора, мьшьяка, лития или натрия. С целью получения р-п-перехода, к потоку ионов углерода добавляют легирующую примесь одного типа проводимости, а последующую бомбардиров ку ведут ионами легирующей примеси противоположного типа проводимости.. 51 Преимущественно процесс ведут в вакуумной камере при давлении 1С 10 торр. Легирующие примеси могут быть в потоке ионов углерода, ударяющих.ся о кристаллическую мишень, обычно в количестве, не превьппающем 0,1% от потока, причем в этом случае рост кристалла и введение примеси происходят одновременно и примесь сообщает либо проводимость типа р, либо проводимость типа п. Бомбардировка кристалла потоком ионов углерода и потоком Ионов примеси может происходить и поочередно. В последнем случае обычно производят вьфащивание слоя алмаза, а затем путем бомбардировки вводят ионы примеси. Эти этапы повторяют при необходимости до тех пор, пока не будет достигнута желаемая, толщина при росте слоя алмаза с примесью. Для достижения фактически однородной концентрации примеси в слое выращиваемого алмаза допускаемая его наращиваемая толщина обычно достигает не более 1OQ А и предпочтительно не более 50 А перед введением примеси. Ионы углерода, а также ионы примеси, вызывающей проводимости типа р или И на различных источниках ионов, можно ускорять, а также комбинировать эти источники, если бомбардировку осуществляют одновременно различньми ионами,, перед попаданием ионов на поверхность кристалла, причем регулирование указанных потоков, как правило, осуществляют независимо друг от друга. Ионы примеси, массы которых близки к массам углерода, например примеси бора, могут быть получены и ускорены на одной и той же эмиссионной машине. При необходимости получения р-пперехода кристалл подвергают бомбардировке потоком .ионов углерода, содержащим примесь, вызывающую проводимость либо типа р, либо типа ц, а затем бомбардировке ионами, вызывающими другой тип проводимости, причем указанную бомбардировку осуществляют с ионами углерода или без них в зависимости от глубины, требуемой для перехода и лежащей под поверхностью кристалла. При этом условия бомбардировки должны быть соответствующим образом подобраны, чтобы исключить дефект. вызываемый радиацией и приводящий к аморфности алмаза. Показатель рассеивания, т.е. число атомов, удаляемое с поверхности кристалла при ударе иона, менее единицы, поскольку в противном случае происходило бы сжатие кристалла, подвергаемого бомбардировке. Преимуществом предлагаемого спосо ба является то, что поверхность алмаза, подвергаемая бомбардировке, не обязательно должна быть идеальной и может даже быть покрыта поверхностным слоем загрязняющего материала. Поэтому, как правило, нет необходимости прибегать к методам тщательной очистки, включающей, например, удаление смазки с последующим окислением для получения идеальной поверхности. На практике ионы углерода, как правило, имеют единичный заряд и представляют собой изотоп С-12, однако могут представлять собой и иной изотоп. Энергия ионов углерода и присадки используемых при бомбардировке, долж на быть достаточной для соответствующего вхождения в растущий кристалл алмаза, причем расстояние при вхождении должно по меньшей мере быть равным 10 атомным размерам. Энергия ниже 600 эВ не может обеспечить требуемую глубину внедрения, для этого необходима энергия по меньшей мере 1 кэВ, например 5-30 кэВ. Энергия до 100 кэВ дает удовлетворительные результаты. Температура, при которой происходит переход от кристаллического состояния в аморфное, зависит от интенсивности потока ионов углерода, если температура кристалла слишком низка, то имеет место тенденция к аморфизации. Если температура равна по меньшей мере 400 С, алмаз может быть под вергнут бомбардировке с интенсивностью, обеспечивающей скорость роста алмаза до 0,1 мм/ч. Когда температур по меньшей мере равна 600 С, интенси ность потока может быть такая, чтобы давать скорость роста 3,2 мм/ч. Несмотря на то, что более высокие температуры могут позволить использование более высокой интенсивности пото ка, температура начала графитизации не должна быть превышена. Температур графитизации зависит от чистоты образца алмаза и от вакуума, под которым находится образец, эта температура может быть определена в результате простого эксперимента. Удовлетворительные результаты получены при 800 С или больше, например при , подложка может быть нагрета и до более высоких температур, однако не Bbmie 1075 С. Использование высоких температур позволяет осуществлять предлагаемый способ без перерыва на отжиг алмазной мишени. Чрезмерный разогрев, вследствие весьма высокой скорости потока, создает тенденцию к повреждению мишени плотность тока, определяющая интенсивность потока, должна быть небольшой, обычно ниже 0,01 мА/см. Верхняя граница давления в камере, через которую проходит поток ионов (этот поток, как правило, имеет форму луча), может быть определена способностью ионного пучка пересекать камеру и бомбардировать мишень, а такт же остаточным давлением кислорода в камере, оказывакмцим воздействие на температуру графитизации. Как прави- ло, это давление не превьш1ает 10 торр и предпочтительно оно не выше . Несмотря на то, что на практике давление не может быть вьше 10 торр, обычно неудобно снижать давление до уровня ниже 10 торр. Для бомбардировки может быть использоваь ускоритель тяжелых ионов. В ускорителе может быть сформирован пучок ионов бора, например, из изолятов нитрида бора в источнике, что вызывает фоновое загрязнение системы. В типичном варианте работы при включении ускорителя образец облучают пучком положительных ионов углерода с энергией 30 кэВ, затем изменяют ускоряющий потенциал, доводя его до 32,5 кэВ, установку магнита поддерживают неизменной, а ио- ны В в виде пучка подают на участок облучения. Может быть проведено выращивание алмаза толщиной 600 А, а затем проведена имплантация до тех пор, пока не будет достигнуто требуемое выращивание кристалла, обычно равное 2 мкм. Образцы, получаемые с концентрациями бора по слоям выращивания, содержат в среднем 50, 160 и 345 ч/млн. Пример 1. Введение примеси бора при росте кристалла алмаэа. Двойниковый кристалл по плоскости (га) нагревают до в вакууме и поочередно подвергают облучению ионами С с энергией 30 кэ и ионами бора В с энергией 32,5 кэБ Облучение ионами С и имеет нужную интенсивность и длительность для того, чтобы создать рост алмаза, соответствуквдий 3,4 мкм, фактически с однородной концентрацией бора, равно приблизительно 330 ч/мл. Полученная при такой ,кристаллизации нарощенная частьпроявляет все характерные особенности природного алмаза, имеющие место при вращении в процессе облуче НИН щшком ионов С энергией. 30 кэБ. При испытании четырех проб установле но, что слой, полученный выращивание является проводящим и его сопротивле ние составляет порядка 10 Ом/см. Пример 2. Выращивание полупроводн кового слоя с проводимостью р-типа. Двойниковый кристалл треугольной формы с боковой стороной 4 и-толщиной 1-2 мм очищают и помещают на графитовой мишени, представляющей собой зону нагрева. Бомбардируемая поверхность кристалла отполирована и имеет ориентацию (Ш). Небольщой участок поверхности закрыт маской, представляющей собой графитовое тормозящее покрытие, выращивание алмаза в период последующего облучения проГисходит на участке без графитовой, маски. Зона мишени с установленным в ней кристаллом алмаза расположена в камере облучения ускорителя тяжелых ионов так, чтобы поверхность (Ш) с нанесенной маской у алмаза была расположеиа под прямьм углом к ионному пуч ку, поступающему от источника. В камере с мишенью остаточное давление до водят до уровня 10 торр и образец разогревают до 800 С. Затем образец поочередно подвергают бомбардировке ионами С и В с энергией 30 кэЬ при поддержании температуры во время ионных бомбардировок на уровне 800+20 С. Период времени, в течение которого осуществляют бомбардировку ионами В, выбирают так, чтобы получить в среднем концентрацию Ионов В, равную 300 с/млн. Время для имплантации ионов С берут таким, чтобы каждый этаПрвыращивания приблизительно на 500 А осуществлялся между каждой имплантацией Б. Образец подвергают охлаждению до температуры окружающего воздуха, извлекают из зоны облучения и очищают. Измеренное увеличение толщины за счет выращивания составляет 2 мм. Образец подвергают термообработке в вакууме в течение 15 мш при 1500 С и охлаждают до температуры окружающего воздуха. Электрические испытания (по четьфем точкам и тепловая проба) на поверхности кристалла, подвергнутой бомбардировке, позволяют установить, что сопротивление плоского образца составляет приблизительно 1 X 10 на квадрате, а также установить наличие носителей р-типа. Проводимость не обнаружена при испытаниях по четырем точкам на полированной поверхности (Ш), не подвергнутой бомбардировке двойникового ;кристалла алмаза. ; Наличие бора в выращенном кристалле подтверждено масс-спектроскопией вторичного иона. Исследуемый кристалл помещали в приборе Самеса и на небольщом участке поверхности со структурой (Ш), подвергнутой бомбардировке с помощью ионов кислорода, имеющих энергию 2 кэВ, вырывали молекулы из образца, помещенного в зону мишени. Бор обнаружен в выбитых молекулах по всему выращенному слою.

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО АЛМАЗА путем бомбардировки его потоком ионов углерода, отличающийся тем, что, с целью улучшения электрических свойств, процесс ведут при 600-1075 С и энергии ионов углерода 1-100 кэВ с одновременной или последующей бомбардировкой ионами легирующей примеси. 2.Способ по п. 1,отличающий с я тем, что в качестве легирующей примеси используют ионы бора, фосфора, мыЕ1Ьяка, лития или натрия . 3.Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что, с целью получения р-И-перехода, к потоку ионов углерода добавляют легирующую примесь одного типа проводимости, a § последующую бомбардировку ведут ионами легирующей примеси противополож ного типа проводимости. 4.Способ по пп. 1-3, о ТЛ и ч аю щ и и с я тем, что процесс ведут в вакуумной камере при давлении 10 10 торр.