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半导体行业对高品质金刚石的期待(二)


二、 金刚石半导体材料的导电机理

半导体材料的导电机理是通过电子和空穴这两种载流子来实现的,有N型和P型之分。金刚石作为IV族元素,其晶体结构可看做有两个面心立方结构沿体对角线平移1/4晶格常数套构而成。碳原子以sp3杂化轨道与邻近的4个碳原子以共价键结合,形成正四面体结构,可以通过向金刚石中掺杂适当的元素从而改变其电学性能,使其可以作为半导体材料较广应用于电学器件中。

金刚石的掺杂包括p型掺杂和n型掺杂。含有杂质的天然金刚石呈现p型导电特性,在工业生产中,也可以通过离子注入和CVD法向金刚石中掺入硼元素来实现。然而自然界中不存在n型导电的天然金刚石,而且晶格缺陷会补偿载流子,使掺入的杂质元素得不到有效激活,导致金刚石的n型掺杂一直是困扰科学家们的难题。目前公认有效的p型掺杂为硼,n型掺杂为磷,质量较好的半导体掺杂技术是微波等离子CVD法。

(一)p型掺杂

p型掺硼半导体金刚石单晶是制备高温、大功率半导体元器件的选择材料,在电子、核能和航空航天等领域具有广阔的应用前景。目前在金刚石硼掺杂方面应做进一步的研究,通过选择合适的硼源和调整硼的掺杂浓度等方式提升掺硼金刚石的载流子迁移率,并将其应用于二极管、场效应晶体管和探测器等期间的制备,提升器件的工作性能。

(二)n型掺杂

n型导电同质外延金刚石的实现基于pn结的电子应用非常重要,是发展双极型器件的关键。科学家们尝试采用氮、硫、锂和磷等元素对金刚石进行掺杂以实现其n型导电。由于氮在金刚石中的杂质能级很深(距离导带底1.7-2eV的深能级处),使含氮金刚石在室温下是良好的绝缘体,并不能实现金刚石的n型导电。硫原子的半径比碳原子大很多,掺入金刚石后会引起大量的晶格畸变,从而产生大量的晶格缺陷,使大部分的硫不具有电活性。例如,硫掺杂金刚石的电学性能主要受温度影响,在高温条件下呈现n型导电,低温时呈现p型导电。所以,虽然硫掺杂金刚石膜可以实现n型导电,但要真正应用于电子等领域,仍存在很大困难。锂掺杂金刚石后会位于金刚石的晶界、缺陷、间隙位置及替代位置等。当锂原子以间隙原子存在时,可以形成施主杂质;以替位原子存在时,可以形成深受主杂质;存在于晶界或晶格缺陷中时不具有半导体性质。而磷的共价键半径是碳的1.4倍,能级位于导带底以下0.58eV,在金刚石膜中可以形成浅能级,是实现金刚石n型掺杂的理想元素。

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