[发明专利]新型硼磷共掺p型金刚石半导体材料及其制备方法

权利要求书

1.一种新型硼磷共掺P型金刚石半导体材料，其特征在于：包括含有硼-硼-磷掺杂结构的金刚石，所述金刚石为P型半导体，所述P型半导体微观结构如下：

金刚石中共同掺入有硼与磷元素，金刚石的一部分碳原子被磷原子和硼原子所取代，掺杂部分的晶体在微观层面形成以硼-硼-磷为排列方式的原子结构；

所述共同掺入金刚石的硼与磷元素，为硼元素替位碳元素的掺杂模式，磷元素替位碳元素的掺杂模式；

所述硼-硼-磷的微观掺杂结构中最小周期中的原子结合方式为第一个硼原子与第二个硼原子以共价键相连接，第二个硼原子再与另一个磷原子以共价键相连接。

2.根据权利要求1所述的新型硼磷共掺P型金刚石半导体材料，其特征在于：根据形成能的第一性原理计算公式：

；

所述为含有掺杂元素的金刚石原子模型的形成能，所述为含有掺杂元素的金刚石原子模型的能量，所述为未掺杂金刚石原子模型的能量，为掺杂元素的数量，为掺杂元素的化学势；

通过第一性原理计算方法，建立掺杂硼-硼-磷元素的金刚石体块模型，设置掺杂元素为硼与磷；硼-磷-硼元素微观结构模型形成能为5.913eV；硼-硼-磷元素微观结构模型形成能为5.794eV。

3.根据权利要求2所述的新型硼磷共掺P型金刚石半导体材料，其特征在于：根据半导体材料的受主能级第一性原理计算公式，得到新型硼磷共掺金刚石半导体材料的受主能级，具体如下：

所述半导体材料的受主能级第一性原理计算公式为：

；

所述为含有元素的电荷数为的金刚石原子模型能量，为含有元素的电荷数为的金刚石原子模型能量，是金刚石禁带宽度，为矫正项；

通过第一性原理计算方法，建立掺杂硼-硼-磷元素的金刚石体块模型，取值-1 ，取值0，能够计算出、、与 的取值大小，进而计算出硼磷共掺金刚石半导体材料的受主能级为0.27 eV。

4.根据权利要求1至3中任一所述的新型硼磷共掺P型金刚石半导体材料，其特征在于：所述硼磷共掺P型金刚石半导体材料是通过微波等离子体化学气相沉积设备进行制备得到的。

5.一种制备如权利要求4所述新型硼磷共掺p型金刚石半导体材料的方法，其特征在于：包含如下步骤：

S1：选取金刚石基底，厚度为0.5~2mm，材料为单晶硅或单晶金刚石；晶面为（001）或（111）取向，适用于硼与磷的共掺；

S2：对金刚石基底进行预处理：首先对金刚石基底表面机械抛光，增加金刚石基底表面光滑度，再进行酸处理30分钟以上，去除表面金属残留物和非晶碳；

S3：将预处理之后的金刚石放入微波等离子体化学气相沉积设备的腔室中：在腔室中引入甲烷、氢气、硼掺杂剂和磷掺杂剂；所述氢气的作用是与甲烷、硼掺杂剂、磷掺杂剂发生还原反应；所述磷掺杂剂为含有磷元素的气体；所述硼掺杂剂为含有硼元素的气体；

所述微波等离子体化学气相沉积设备的微波功率为5~10kW，腔室气压100~150torr；基底温度控制在1000摄氏度以上；MPCVD设备生长硼磷共掺金刚石半导体材料的时间为5小时以上；

S4：关闭微波等离子体化学气相沉积设备后，取出金刚石材料，对硼磷共掺金刚石半导体材料进行材料后处理，即进行机械抛光，得到最终的硼磷共掺金刚石半导体材料。

6.根据权利要求5所述新型硼磷共掺p型金刚石半导体材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中：

所述氢气的流量为500~3000sccm，甲烷流量为10~70sccm，硼掺杂剂流量为1~4sccm，磷掺杂剂流量为0.5~2sccm；

所述硼掺杂剂为硼烷；所述磷掺杂剂为磷化氢；所述硼掺杂剂与磷掺杂剂的流量比例值通过第一性原理计算得到，从而使得硼磷共掺微观结构上能够达到两个硼原子与一个磷原子共存的硼-硼-磷结构。