Способ получения полупроводникового алмаза

СОЮЗ СОВЕТСКИХсанвамепепРЕСПУБЛИК 0% 01) За) С 30 В 31/22 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯИ ПАТЕНТУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЭОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(72) Ричард Стюарт Нельсон, Джон Адриан Хадсон и Дэвид Джон Иейзи (Великобритания)(71) Нэшнл рисерч дивелопмент корпорейшн (Великобритания)(54)(57) 1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО АЛМАЗА путем бомбардировки его потоком ионов углерода,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью улучшения электрических свойств, процесс ведут при 600-1075 С и энерО гии ионов углерода 1-100 кэВ с одновременной или последующей бомбардировкой ионами легирующей примеси.2. Способ но п. 1, о т л и ч аю щ и й с я тем, что в качестве легирующей примеси используют ионы бора, фосФора, мышьяка, лития или натрия.3. Способ о пп. 1 и 2, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью получения-Ь-перехода, к потоку ионов углерода добавляют легирующую примесь одного типа проводимости, а последующую бомбардировку ведут ионае ми легирующей примеси противоположного типа проводимости.4. Способ по пп. 1-3, о т л и ч аю щ и й с я тем, что процесс ведут в вак уумной камере при давлении 10 - 10 торр.1083915 1Изобретение относится к способу получения полупроводникового алмаза.Известен способ бомбардировки алмаза при комнатной температуре после отжига при повьппенных температурах 1. 5Хотят бомбардировка при комнатной температуре после отжига может оказаться успешной при применении кремния, доказана неэффективность ее для алмаза, так как алмазная структура, 1 О превратившаяся в аморфный углерод, не может быть регенерирована простым нагревом до повьппенной температуры, важно, чтобы бомбардировка выполнялась, пока кристалл находится при по вьппенных температурах. Наиболее близким к предлагаемому является способ получения полупроводникового алмаза путем обработки его потоком ионов углерода при комнатной температуре с последующим отжигом 2,Доза облучения низка, а алмаз является таким хорошим проводником тепла, что подъем температуры во время облучения будет незначительным.Так как температура не достигает 600 С, а почти равняется окружающей, алмаз превращается в аморфную или графитовую форму, и электрические свойства соответствуют тому, что алмаз постепенно разрушается при низкой дозе внедрения углерода. Кроме того, наличие азота в природном алмазе отрицательно влияет на его полупро 35 водниковые свойства, получаемые 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 углеО рода процесс ведут при 600-1075 С и энергии ионов углерода 1-100 кэВ с одновременной или последующей бом.бардировкой ионами легирующей примеси.В качестве легирующей примеси используют преимущественно ионы бора,50 фосфора, мьппьяка, лития или натрия. С целью получения р-п-перехода, к потоку ионов углерода добавляют легирующую примесь одного типа про водимости, а последующую бомбардировку ведут ионами легирующей примеси противоположного типа проводимости,Преимущественно процесс ведут в3вакуумной камере при давлении 1 Г 10торр,Легирующие примеси могут быть впотоке ионов углерода, ударяющихсяо кристаллическую мишень, обычно вколичестве, не превьппающем О, 17 отпотока, причем в этом случае росткристалла и введение примеси происходят одновременно и примесь сообщает либо проводимость типа р, либопроводимость типа 11. Бомбардировкакристалла потоком ионов углерода ипотоком ионов примеси может происходить и поочередно. В последнем случаеобычно производят выращивание слояалмаза, а затем путем бомбардировкивводят ионы примеси. Эти этапы повторяют при необходимости до тех пор,пока не будет достигнута желаемаятолщина при росте слоя алмаза с при 1месью. Для достижения фактическиоднородной концентрации примеси вслое выращиваемого алмаза допускаемая его наращиваемая толщина обычноодостигает не более 10 А и предпочФтительно не более 50 А перед введе:нием примеси. Ионы углерода, а также ионы примеси, вызывающей проводимости типа р или П на различныхисточниках ионов, можно ускорять, атакже комбинировать эти источники,если бомбардировку осуществляют одновременно различными ионами передпопаданием ионов на поверхностькристалла, причем регулирование ука.занных потоков, как правило, осуществляют независимо друг от друга,Ионы примеси, массы которых близкик массам углерода, например примеси бора, могут быть получены и ускорены на одной и той же эмиссионноймашине.При необходимости получения р-йперехода кристалл подвергают бомбардировке потоком, ионов углерода, содержащим примесь, вызывающую проводимость либо типа р, либо типа И, азатеи бомбардировке ионами, выэыва ющими другой тип проводимости, причем указанную бомбардировку осуществляют с ионами углерода или без нихв зависимости от глубины, требуемойдля перехода и лежащей под поверхностью кристалла. При этом условия бомбардировкидолжны быть соответствующим образомподобраны, чтобы исключить дефект,1083 Температура, при которой происходит переход от кристаллического состояния в аморфное, зависит от интен сивности 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 овергнут бомбардировке с интенсивностью, обеспечивающей скорость роста алмаза до 0,1 мм/ч. Когда температураОпо меньшей мере равна 600 С, интенсивность потока может быть такая, чтобы 50 давать скорость роста 3,2 мм/ч. Несмотря на то, что более высокие температуры могут позволить использование более высокой интенсивности потока, температура начала графитизации 55 не должна быть превьппена. Температура графитизации зависит от чистоты образца алмаза и от вакуума, под кото 3вызываемый радиацией и приводящийк аморфности алмаза,Показатель рассеивания, т,е. число атомов, удаляемое с поверхностикристалла при ударе иона, менее единицы, поскольку в противном случаепроисходило бы сжатие кристалла,подвергаемого бомбардировке.Преимуществом предлагаемого способа 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 15необходимости прибегать к методамтщательной очистки, включающей, например, удаление смазки с последующим окислением для получения идеальной поверхности. На практике ионы20углерода, как правило, имеют единичный заряд и представляют собой изотоп С, однако могут представлятьсобой и иной изотоп.Энергия ионов углерода и присадки, 25используемых при бомбардировке, должна быть достаточной для соответствующего вхождения в растущий кристаллалмаза, причем расстояние при вхождении должно по меньшей мере бытьравным 10 атомным размерам. Энергияниже 600 эВ не может обеспечитьтребуемую глубину внедрения, для,этого необходима энергия по меньшеймере 1 кэВ, например 5-30 кэВ. Энер 35гия до 100 кзВ дает удовлетворительные результаты. 915 4рым находится образец, эта температура может быть определена в результате простого эксперимента. Удовлетворительные результаты получены при0800 С или больше, например при 1000 С, подложка может быть нагретаОи до более высоких температур, однако не выше 1075 С. Использование вьюсоких температур позволяет осуществлять предлагаемый способ без перерыва на отжиг алмазной мишени. Чрезмерный разогрев, вследствие весьма высокой скорости потока, создает тенденцию к повреждению мишени, плот. ность 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 так-, же остаточным давлением кислорода в камере, оказывающим воздействие на температуру графитиэации. Как правило, это давление не превышает 10тор и предпочтительно оно не выше 10 торр. Несмотря на то, что на практике давление не может быть выше 10 бторр, обычно неудобно снижать давление до уровня ниже 10. торр.Для бомбардировки может быть использован ускоритель тяжелых ионов.В ускорителе может быть сформиро. ван пучок ионов бора, например, иэ 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, дово. дя его до 32,5 кэВ, установку магнита поддерживают неизменной, а ио" . ны В в виде пучка подают на участок облучения.Может быть проведено выращиваниеалмаза толщиной 600 Х, 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. П р и м е р 1. Введение примесибора при росте кристалла алмаза.1083915 Составитель В. БезбородоваТехред М. Гергель КоРРектор С. Шекмар Редактор Л.Филь Заказ 1806/57 Тираж 352 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб д, 4/5Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 Двойниковый кристалл по плоскости (Ш) нагревают до 800 С в вакуумео4 10торр и поочереднс подвергают облучению ионами С с энергией 30 кэВ и ионами бора В с энергией 32,5 кэВ. Облучение ионами Сф и В имеет нужную интенсивность и длительность для, того, чтобы создать рост алмаза, соответствующий 3,4 мкм, фактически с однородной концентрацией бора, равной 1 О приблизительно 330 ч/мл, Полученная при такой, кристаллизации нарощенная часть проявляет все характерные особенности прйродного алиаэа, имеющие место при вращении в процессе облуче ния пучком ионов Сф энергией,30 кэВ. При испытании четырех проб установлено, что слой, полученный выращиванием, является проводящим и его сопротивление составляет порядка 10 Ом/см . 206Пример 2. Выращивание полупроводникового слоя с проводимостью р-типа.Двойниковый кристалл треугольной формы с боковой стороной 4 и.толщиной 1-2 мм очищают и помещают на 25 графитовой мишени, представляющей собой зону нагрева, Бомбардируеиая поверхность кристалла отполирована и имеет ориентацию (Я), Небольшой участок поверхности закрыт маской, 30 представляющей собой графитовое тормозящее покрытие, выращивание алмаза в период последующего облучения про/исходит на участке без графитовой, маски.35Зона мишени с установленным в ней кристаллом алмаза расположена в камере облучения ускорителя тяжелых ионов так, чтобы поверхность (Ш) с нанесенной маской у алмаза была расположена под прямыи углом к ионному пуч ку, поступающему от источника. В камере с мишенью остаточное давление доводят до уровня 10торр и образецоразогревают до 800 С. Затем образец поочередно подвергают бомбардирезкеионами С и Вф с энергией 30 кэВ приподдержании температуры во время ионных бомбардировок на уровне 800+20 С.Период времени, в течение которогоосуществляют бомбардировку ионами Вфвыбирают так, чтобы получить в среднем концентрацию ионов В , равную+300 с/млн. Время для имплантацииионов С берут таким, чтобы каждыйФэтап выращивания приблизительно на500 А осуществлялся между каждойимплантацией В.Образец подвергают охлаждению дотемпературы окружающего воздуха, извлекают из зоны облучения и очищают.Измеренное увеличение толщины засчет выращивания составляет 2 мм,Образец подвергают термообработкев вакууме в течение 15 м н при1500 С и охлаждают до температурыОокружающего воздуха. Электрическиеиспытания (по четырем точкам и тепловая проба) на поверхности кристалла,подвергнутой бомбардировке, позволяют установить, что сопротивлениеплоского образца составляет приблизительно 1 х 10 на квадрате, а также установить наличие носителей р-типа. Проводимость не обнаружена прииспытаниях по четырем точкам на полированной поверхности (Ш), не подвергнутой бомбардировке двойникового;кристалла алмаза.Наличие бора в выращенном кристалле подтверждено масс-спектроскопиейвторичного иона. Исследуемый кристаллпомещали в приборе "Самеса" и на небольшом участке поверхности со структурой (Ш), подвергнутой бомбардировкес помощью ионов кислорода, имеющихэнергию 2 кэВ, вырывали молекулы изобразца, помещенного в зону мишени.Бор обнаружен в выбитых молекулахпо всему выращенному слою,