众所周知，金刚石具有超宽禁带（5.5 eV）、高击穿场强（10 MV/cm）、较高的器件品质因子等一系列优异的物理性质，在功率器件中具有重要的应用价值。然而本征金刚石不导电，只有在掺入少量、特定的掺杂原子后，才会显示出其作为半导体材料的优异性能。为了实现金刚石p型半导体在功率器件中的应用，需要对硼元素浓度精确调控，欧姆接触区需要高浓度掺杂，而器件漂移区需要较低浓度掺杂。因此，研制出高质量、掺杂浓度可控的金刚石p型薄膜，对实现金刚石p型半导体在功率器件中的应用至关重要。
近日，西安交通大学电子科学与工程学院王宏兴教授团队，利用微波等离子体化学气相沉积设备制备出表面粗糙度0. 35 nm、XRD(004)晶面摇摆曲线半峰全宽28. 4 arcsec、拉曼光谱半峰全宽 3.05 cm−1的高质量p型金刚石薄膜。通过改变气体组分中硼元素的含量，实现了1016~1020 cm−3的p型金刚石可控掺杂工艺，并研究了硼碳比、生长温度、甲烷浓度等工艺条件对 p 型金刚石电学特性的影响。结果表明，在硼碳比20×10−6、生长温度1100 ℃、甲烷浓度8%、腔压 160 mbar时p型金刚石迁移率达到207 cm2/(V·s)。而加氧生长可以提升硼掺杂金刚石结晶质量，降低杂质散射，分析表明，当氧气浓度为0.8%时，样品迁移率提升至614 cm2/(V·s)。
如图1所示，随着温度的升高，表面形貌变化过程为：刻蚀坑 (1000 ℃)、“鼓包”型单晶(1050 ℃)、平整连续薄膜(1100 ℃)、“金字塔”形刻蚀(1120 ℃)。图 2是1100 ℃生长样品的原子力显微镜(AFM)照片、拉曼光谱和(004)晶面的X射线衍射摇摆曲线测试结果。结果显示：表面粗糙度仅为0. 35 nm，拉曼光谱半峰全宽为3. 05 cm−1，XRD(004)摇摆曲线半峰全宽为28. 4 arcsec。
图1 硼掺杂金刚石随温度变化的光学显微镜照片
图2 硼掺杂金刚石材料特性表征
研究了硼碳比（B/C）对金刚石(100)掺杂浓度的影响（见图3）。随着硼碳比的增加，金刚石中硼掺杂浓度逐渐增大。当硼碳比为20×10−6时，硼掺杂浓度为1×1016 cm−3；硼碳比为120×10−6和600×10−6时，硼掺杂浓度分别为1×1017 cm−3和5×1017 cm−3；当硼碳比增大至2400×10−6时，掺杂浓度达到2.8×1020 cm−3。
图3 硼掺杂金刚石 SIMS 测试结果
对不同硼碳比与生长温度的掺杂金刚石样品进行了霍尔效应测试，结果表明，硼掺杂金刚石样品均显示p型导电。硼碳比对p型金刚石电学性能影响显著（见图4），当硼碳比为20×10−6时，金刚石空穴迁移率最大为207 cm2/(V·s)@1.6×1014 cm-3。生长温度对金刚石p型掺杂电学性能也会产生影响（见图5）。随着生长温度升高，空穴迁移率逐渐增大，而在温度达到1120 ℃时，迁移率急剧下降。这是由于高温环境会加剧MPCVD反应过程中金刚石表面的刻蚀。
图4 硼碳比对金刚石p型掺杂电学性能的影响
图5 生长温度对金刚石p型掺杂电学性能的影响
随后研究了甲烷浓度（CH4/H2）对硼掺杂金刚石电学性质的影响（见图6(a)）。结合图6（b）生长速率与甲烷浓度的关系可知，甲烷浓度在8%时生长速率达到峰值，随后下降。
图6 甲烷浓度对金刚石p型掺杂电学性能和生长速率的影响
最后研究了氧气浓度对金刚石p型掺杂电学性能的影响规律（见图7）。通氧生长提高了硼掺杂金刚石结晶质量和纯度，降低了薄膜中杂质散射效应，空穴迁移率大幅提升。随氧气浓度的上升，空穴迁移率表现出先增大后减小的趋势，氧含量为0.8%的样品迁移率最高，达到614 cm2/(V·s)@4.8×1015 cm-3（载流子浓度）。
图7 氧气浓度对金刚石p型掺杂电学性能的影响
凯发k8国际，是一家专注于第三代（宽禁带）半导体衬底材料和器件研发、生产和销售的高科技企业，致力于成为全球领先的宽禁带半导体材料和器件公司，核心产品是晶圆级金刚石、金刚石热沉片、金刚石基氮化镓外延片和氮化铝薄膜等。公司具备MPCVD设备设计能力，国内首家掌握MPCVD制备高质量金刚石的核心工艺并实现量产， 并且独创基于等离子体辅助抛光的金刚石原子级表面高效精密加工方法，全球首家将金刚石热沉片表面粗糙度从数十微米级别降低至1nm以下，达到半导体级应用标准。
采用金刚石热沉的大功率半导体激光器已经用于光通信，在激光二极管、功率晶体管、电子封装材料等领域也都有应用。基于晶圆级的金刚石产品能力，公司开发出了金刚石基氮化镓外延片，主要应用在射频（卫星、5G基站）与高功率器件（光伏、风力发电、新能源车、储能）等对热管理需求高的领域，作为碳化硅基氮化镓材料的补充。
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