[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

说明书

本发明公开了一种新型硼磷共掺P型金刚石半导体材料及其制备方法。该种材料是硼、磷原子替代金刚石结构中碳原子而形成的一种硼‑硼‑磷掺杂结构的新型硼磷共掺P型金刚石半导体材料。其是在利用MPCVD设备制备人造金刚石的过程中，引入硼磷掺杂剂、氢气与甲烷等气体进入MPCVD腔室，同时控制腔室温度、气压与微波功率等参数。所述新型硼磷共掺金刚石半导体材料的受主能级为0.27 eV，对提高P型金刚石半导体电学性能有重要意义，扩大P型金刚石半导体材料在室温下半导体电子器件中的应用前景。

技术领域

本发明涉及第三代半导体材料领域，具体涉及一种新型硼磷共掺P型金刚石半导体材料及其制备方法。

背景技术

金刚石是第三代半导体材料之一，它具有禁带宽度大、饱和电子漂移速度高等优势，被广泛应用于电子工业领域。通过掺杂，实验人员可以调整禁带宽度，制备高饱和电子迁移率的金刚石半导体材料。对于金刚石半导体的P型掺杂，目前已经成功制备并且最常见的是P型掺硼金刚石，它的掺硼浓度可达到10²⁰cm^-3，室温下空穴迁移率最高可以达到1500cm²V^-1s^-1。但是，硼掺杂金刚石半导体材料的热激活自由载流子能量为0.37eV，由于其激活能较大，在室温时仅有少量的硼原子离化，这限制了P型掺硼金刚石半导体在室温条件下的应用。如果能够降低受主能级的激活能，这将会显著改善P型掺硼金刚石的电学性能，扩展它在各种情况下的使用范围。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的就是针对目前第三代P型金刚石半导体材料存在的问题，提出一种新型的受主能级较低的硼磷共掺P型金刚石半导体材料的制备方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

第一方面，本发明的目的是提供一种新型硼磷共掺P型金刚石半导体材料，其特殊之处在于：

在利用MPCVD法合成金刚石的工艺过程之中，将硼元素与磷元素共同掺入金刚石，使一部分碳原子被磷原子和硼原子所取代，在微观层面形成硼-硼-磷的原子结构：

所述硼与磷元素掺入金刚石为硼、磷原子替位部分碳原子的掺杂模式。

所述硼-硼-磷结构具体表现为，在微观掺杂结构最小周期中的原子结合次序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；

所述含有硼-硼-磷掺杂结构的金刚石为P型半导体。

所述新型硼磷共掺金刚石半导体材料的最小周期性微观结构中，第一个可能的微观原子结构排列次序是硼-磷-硼，是第一个硼原子通过化学键链接一个磷原子，该磷原子再通过化学键链接第二个硼原子。第二个可能的微观原子结构排列次序是硼-硼-磷元素，是第一个硼原子通过化学键链接第二个硼原子，第二个硼原子再通过化学键链接一个磷原子。

根据形成能的第一性原理计算公式，证明硼磷共掺金刚石半导体材料中是硼-硼-磷的原子排列微观结构。

所述形成能的第一性原理计算公式为：

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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初始能量，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-磷元素的金刚石体超晶胞模型，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。形成能越低，结构稳定性越高，因此，硼-硼-磷元素微观结构模型更加稳定，证明硼磷共掺金刚石半导体材料中是硼-硼-磷元素微观结构。

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为0.27 eV。所述半导体材料的受主能级第一性原理计算公式为：

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