对于金刚石的p型掺杂,目前采用最多的掺杂元素是硼。可以通过离子注入和CVD法在制备金刚石膜的反应室内加入硼源实现金刚石的硼掺杂。
早在1994年,M.Werner等人采用BCl为硼源,初步实现了金刚石硼掺杂,当载流子浓度为1.8×1021cm-3时,霍尔迁移率很低。1998年,H.Sat•等人采用BH作为硼源,在金刚石同质外延生长中掺入硼,降低载流子浓度至1016cm-3,得到掺硼金刚石膜的霍尔迁移率为1000cm2/(V•s)。研究发现,硼的掺杂浓度影响半导体金刚石的电学性能。掺杂浓度较高的单晶金刚石包含了许多点缺陷、线缺陷和面缺陷。这些缺陷会捕获载流子,影响金刚石材料的霍尔迁移率。
随后,S.Yamanaka等人采用B(CH为硼源,控制载流子浓度为2×1014cm-3,测得p型掺杂MPCVD金刚石在室温下霍尔迁移率最大为1840cm2/(V•s)。采用B(CH3)3作为硼源有利于硼原子掺入金刚石晶格中的替位位置,提高了硼的掺入效率。由于载流子浓度较低,电离杂质散射影响较小,使迁移率增大。除了掺杂浓度和硼源,科学家们还对不同金刚石衬底晶面对制备的金刚石薄膜载流子迁移率的影响进行了研究。2015年,V.M•rtet等人分别在(100),(110)和(111)面单晶金刚石衬底上制备硼掺杂金刚石层。研究发现(111)和(110)面金刚石衬底上的晶格缺陷捕获了大量硼原子,降低了硼原子的掺入效率,并且存在较强的杂质散射,使迁移率低于(100)面金刚石衬底。由此看来,(100)面为金刚石硼掺杂更为合适的晶面。
此外,为了探索低温下硼掺杂金刚石的物理性质,国外对硼掺杂金刚石的超导性能进行了大量的研究。目前,在没有外加磁场的条件下,大多数(100)面金刚石薄膜超导转变温度为1~5K。而(111)面外延重掺硼金刚石薄膜超导转变温度最高可达11.4K。2011年,日本的T.Muranaka等人研究了重掺硼(100)面金刚石层的超导性,制备的重掺硼金刚石在无磁场的条件下,超导的转变温度为5K。这是重掺硼(100)面金刚石达到的最高超导转变温度。由于(100)面金刚石的间隙硼原子和B+H复合物不能提供有效的载流子,导致金刚石的电阻率很难降低。为了提高超导的转变温度,有必要减少它们的含量。此外,俄罗斯的V.A.Sid•r•v研究小组也论述了掺硼超导金刚石的生长方法、所用材料和超导特性等,促进了硼掺杂金刚石超导性质的研究。
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首选材料,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作进一步的研究,通过选择合适的硼源和调整硼的掺杂浓度等方式提高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器件的制备,提高器件的工作性能。
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