Способ получения легированного монокристалла алмаза

Изобретение относится к получению монокристаллов алмазов, в частности, легированных азотом и фосфором, при высоких давлениях и температурах, которые могут быть использованы в устройствах электроники. Атомы фосфора способны замещать атомы углерода в кристаллической решетке алмаза подобно тому, как это происходит в кремнии. Будучи элементом V группы, фосфор является донорной примесью в легированном кремнии. Алмаз как углеродная форма относится к IV-й группе элементов, также как и кремний, и имеет одинаковый с кремнием кубический тип кристаллической структуры. Закономерно, что фосфор выбирают в качестве донорной легирующей примеси при синтезе кристаллов алмаза с электронным типом электрической проводимости.

Для применений в изделиях активной электроники, оптоэлектроники и акустоэлектроники требуются, в первую очередь, высококачественные синтетические монокристаллы алмаза.

Известен способ выращивания монокристаллов алмаза в области его термодинамической стабильности на затравочном кристалле, который отделяют от источника углерода металлом-растворителем, в качестве которого используют сплав железа, алюминия и углерода, при создании температурного градиента между источником углерода и затравочным кристаллом 20-30°С, причем сплав железа, алюминия и углерода берут при следующем соотношении компонентов, вес. %: железо 89-92, алюминий 4-6, углерод 4-5, при этом нагрев осуществляют до начальной температуры в зоне роста, величина которой на 10-20°С выше температуры плавления сплава металла-растворителя, производят выдержку при этой температуре до 20 ч, а затем проводят периодически повторяющиеся циклы изменения температуры, включающие этап скачкообразного повышения температуры на 10-25°С выше начальной и этап понижения температуры до начальной со скоростью 0,2-3 градуса в минуту [С.А. Терентьев, В.Д. Бланк, С.А. Носухин, М.С. Кузнецов. Способ выращивания монокристаллов алмаза, Патент РФ на изобретение №2320404, МПК С01В 31/06, опубл. 27.03.2008 г.]. Таким способом выращивают крупные монокристаллы алмаза (весом более 3 карат) с массовой скоростью роста более 2 мг/ч, содержащие примесь азота не более 0,1 части на миллион атомов углерода (чнм). Легирование монокристаллов алмаза фосфором по этому способу выращивания не предусмотрено.

Для ведения фосфора в алмаз использован метод роста на затравке в реакционной системе графит-фосфор при высоком давлении более 6,5 ГПа и высокой температуре 1800-2200°С [Akaishi М.; Kanda Н.; Yamaoka S. Phosphorus - An elemental catalyst for diamond synthesis and growth. - Science 1993, 259, P. 1592-1593; Michau D.; Kanda H.; Yamaoka S. Crystal growth of diamond from a phosphorus solvent under high pressure-high temperature conditions. - Diam. Relat. Mater. 1999, 8, P. 1125-1129; патент JP 5123562 (A), МПК: B01J 3/06, опубл. 1993.05.21]. В реакционной системе Fe-Ni-P-C монокристаллы алмаза с максимальными размерами в сечении до 4×4 мм² выращены при давлении 5.4-5.8 GPa и температуре 1280-1360°С [Н.М. - Hua, В. Ning, L. Shang-Sheng, S. Tai-Chao, Z.A. - Guo, H. Qiang, J. Xiao-Peng, M. Hong-An. Effects of FeNi-phosphorus-carbon system on crystal growth of diamond under high pressure and high temperature conditions. Chin. Phys. B, 2015, 24, No. 3, 038101]. Однако концентрация фосфора в выращенных кристаллах не исследована.

Легированные фосфором алмазы получены методом химического осаждения из газовой фазы, содержащей фосфор [Koizumi S.; Kamo М.; Sato Y.; Ozaki H.; Inuzuka Т. Growth and characterization of phosphorous doped {111} homoepitaxial diamond thin films. - Appl. Phys. Lett., 1997, 71, P. 1065-1067] и методом ионной имплантации ионов фосфора в кристаллы алмаза [Р.С. Нельсон, Д.А. Хадсон, Д.Д. Мейзи, Способ получения полупроводникового алмаза, патент SU 1083915 А, МПК С30В 31/22, опубл. 01.06.1978; патент US 5609926, МПК С01В 31/06, опубл. 03.11.1997].

При этом, несмотря на уместную аналогию легирования алмаза фосфором подобно кремнию, в действительности вхождение атомов фосфора в кристаллическую решетку алмаза сильно затруднено из-за значительного несовпадения атомных радиусов углерода и фосфора, в отличие от системы кремний-фосфор. В связи с чем внедрение атомов фосфора в кристаллическую решетку алмаза сопровождается возникновением различных дефектов структуры, что ухудшает оптические и электронные свойства кристаллов.

Для компенсации локальных напряжений вблизи атомов фосфора и улучшения кристаллической структуры легированных фосфором кристаллов алмаза, выращиваемых методом роста при высоких давлении и температуре, предложена методика одновременного легирования фосфором и азотом [B. Yan, X. Jia, С. Fang, N. Chen, Y. Li, S. Sun, H.A. Ma, The effect of phosphorus and nitrogen co-doped on the synthesis of diamond at high pressure and high temperature, Int. J. Refractory Metals and Hard Materials, 2016, 54, Р. 309-314]. Таким способом выращены монокристаллы алмаза с максимальными размерами в сечении до 3×3 мм² в системе NiMnCo-C с добавлением P₃N₅ в концентрации до 0.4 вес. % и с добавлением до 1.5 вес. % фосфора в системе с порошкообразным карбонильным железом. Методом ИК-спектроскопии была определена достаточно высокая концентрация азота в полученных кристаллах, которая составила 860 чнм (частей на миллион) в виде пар азота и 1260 чнм в виде одиночных замещающих атомов. Однако концентрация фосфора не была определена.

Наиболее близким из известных аналогов техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ получения алмаза, легированного фосфором, включающий воздействие высоких давления и температуры на реакционную систему из графита и фосфора, отличающийся тем, что реакционную систему из графита и фосфора предварительно отжигают в токе водорода при температурах 200-280°С и осуществляют синтез алмаза в области температур 1450-1650°С и в области давлений 6,3-7,5 ГПа, ограниченной при 6,3 ГПа интервалом 1550-1650°С, а при 7,5 ГПа ограниченной интервалом 1450-1550°С при длительности не менее 40 ч [Пальянов Ю.Н., Куприянов И.Н., Сокол А.Г., Хохряков А.Ф., Борздов Ю.М., Калинин А.А. Способ получения алмаза, легированного фосфором (варианты), патент RU 2476375 С1, МПК С01В 31/06, С30В 29/04, опубл. 27.02.2013]. Технический результат данного изобретения заключается в повышении качества кристаллов алмаза и снижении температуры и давления роста алмазов размером 200-300 мкм с различной концентрацией примеси, получаемых в системе фосфор-углерод.

Задачей настоящего технического решения является контролируемое легирование выращиваемого на затравке монокристалла алмаза примесями фосфора и азота в условиях воздействия высоких давления и температуры.

Технический результат достигается тем, что из реакционной системы углерод-азот-фосфор в виде смеси графита и фосфора с адсорбированным азотом в концентрации около 0,001±0,0005 вес. % при соотношении фосфора к углероду 3-5 вес. % готовят заготовку в виде шайбы и размещают ее на заготовке в виде шайбы из сплава металла-растворителя, в качестве которого используют сплав железа, алюминия и углерода при соотношении компонентов, вес. %: железо - 92,5-95,0, алюминий - 0,5-2,5, углерод - 4-5, под которой размещают подложку из хлорида цезия с предварительно запрессованным в ней затравочным кристаллом алмаза, причем затравочный монокристалл алмаза ориентируют гранью (100) параллельно плоскости шайбы металла-растворителя. В результате добавления алюминия в реакционную систему концентрация азота в выращенных кристаллах уменьшается за счет известной химической реакции образования нитрида алюминия, и в то же время фосфор частично замещает азот в структуре легированного алмаза. В отсутствие алюминия в металле-растворителе концентрация примеси фосфора в выращенных алмазах не превышает 0,1 чнм, а концентрация азота максимальна: около 100 чнм. При концентрации алюминия более 2.5 вес. % в металле-растворителе концентрация фосфора в выращенных алмазах также не превышает 0,1 чнм, при этом и концентрация азота снижается ниже 0,1 чнм. Только при концентрации алюминия в металле-растворителе 0.5-2.5 вес. % получают кристаллы алмаза, в которых одновременно присутствует азот в количестве 0,1-17,8 чнм и фосфор в количестве 0,5-5 чнм. Температуру в зоне роста алмаза задают на 100-250°С выше температуры плавления сплава металла-растворителя и производят выдержку при этой температуре от 50 до 150 часов, причем получение алмаза осуществляют в области давлений 5,5-6,0 ГПа и в области температуры 1600-1750°С. Монокристаллы легированного алмаза выращивают в условиях разности температур между источником углерода и затравочным кристаллом 20-50°С. При соблюдении указанных условий выращивают кристаллы алмаза весом более 0,6 каратов с массовой скоростью роста более 2 мг/ч. Кристаллы содержат 0,1-17,8 чнм примеси азота и 0,5-5 чнм примеси фосфора.

Технический результат изобретения заключается в выращивании крупных монокристаллов алмаза, легированных азотом и фосфором, для применения в элементах электронной техники.

Решение технической задачи подтверждается Фиг. 1, 2, на которых показаны выращенные монокристаллы алмазов, зафиксированные в кольцевой обойме с полимерным связующим (Фиг. 1), и величина концентрации атомов фосфора в зависимости от глубины относительно поверхности кристаллов по данным масс-спектроскопии вторичных ионов ВИМС (Фиг. 2). В диапазоне глубины 0-80 нм результаты (Фиг. 2) показывают завышенную концентрацию фосфора, связанную с инструментальной погрешностью измерений, и не должны приниматься во внимание. Об этом свидетельствует кривая 4, относящаяся к контрольному кристаллу №4, выращенному без добавления фосфора в ростовую среду.

Результаты измерения концентрации фосфора по глубине относительно поверхности {111} кристаллов №№1-4 приведены на Фиг. 2. Номера кривых соответствуют номерам кристаллов в примерах 1-3.

Примеры осуществления способа.

Пример 1

Для роста монокристалла алмаза, легированного азотом и фосфором, используют аппарат высокого давления типа "тороид", аналогично [С.А. Терентьев, В.Д. Бланк, С.А. Носухин, М.С. Кузнецов. Способ выращивания монокристаллов алмаза, Патент РФ на изобретение №2320404, МПК С01В 31/06, опубл. 27.03.2008 г.], в котором реализован метод температурного градиента роста алмаза на затравочном кристалле.

В реакционном объеме ячейки высокого давления размещают шайбу общим весом 1,1 г, состоящую из графита чистоты 99,99%, содержащего 0,001±0,0005 вес. % адсорбированного азота, при этом графит составляет 97 вес. % шайбы, а остальные 3,0 вес. % - фосфор чистоты 99,99%. Диаметр шайбы 15 мм, высота 2,75 мм, под нее размещают шайбу сплава металла-растворителя диаметром 15 мм, высотой 4,5 мм со следующим соотношением компонентов, вес. %: железо - 94,5, алюминий - 0,5, углерод - 5,0. Затравочный монокристалл алмаза размером 0,5 мм, весом около 4 мг ориентируют гранью (100) параллельно плоскости шайбы металла-растворителя и запрессовывают в подложку из хлорида цезия, которую размещают под шайбой металла-растворителя. Собранную ячейку помещают в АВД типа «тороид», который размещают в рабочем пространстве гидравлического пресса ДО 044. Создают давление в реакционном объеме 5,5 ГПа и под управлением автоматизированной системы контроля процессом кристаллизации увеличивают подводимую электрическую мощность до величины, обеспечивающей достижение температуры в зоне роста на 100°С выше температуры плавления сплава металла-растворителя ~1500°С, при разнице температур между источником углерода и затравочным кристаллом 20°С. Разницу температур между источником углерода и затравочным кристаллом (зоной роста) задают при помощи верхнего и нижнего торцевых нагревателей разной высоты, изготовленных из смеси графита и двуокиси циркония. Указанный режим поддерживают 50 часов. Далее, под управлением автоматизированной системы контроля процессом кристаллизации осуществляют равномерное снижение подводимой электрической мощности в течение 3 часов, чем обеспечивают снижение температуры в реакционном объеме со скоростью 1 градус в минуту. Отключают подвод электрической мощности, снижают давление, разгружают АВД, извлекают реакционную ячейку. Отделяют шайбу металла-растворителя с выращенным алмазом и растворяют металл в смеси соляной и азотной кислот (царская водка) в течение 30 мин. Извлекают выращенный алмаз и отмывают в дистиллированной воде с поверхностно-активными веществами и деионизированной водой. Вес кристалла 123 мг (0.615 карата). Длительность процесса роста кристалла составила 50 часов, а средняя массовая скорость роста - 2,4 мг/ч. Концентрация примеси азота N_c, рассчитанная по величине коэффициента поглощения при 270 нм α₂₇₀ в спектре, снятом на спектрометре CARY 4000: N_с [чнм]=0.517 α₂₇₀ [см^-1], составляет 17,8 чнм. Полученный кристалл закрепляют в связующем полимере внутри обоймы для проведения элементного анализа методом масс-спектроскопии вторичных ионов (SIMS) (Фиг. 1, №1). В кристалле №1 на глубине более 200 нм концентрация фосфора составила около 0.5 чнм.

Пример 2

Рост монокристалла алмаза, легированного азотом и фосфором, и анализ содержания фосфора выполняют аналогично примеру 1, но при увеличенной вдвое концентрации алюминия в сплаве-растворителе: 1.0 вес. %. Содержание остальных элементов следующее: 95,0 вес. % Fe, 4,0 вес. % С. Создают давление в реакционном объеме 5,5 ГПа и под управлением автоматизированной системы контроля процессом кристаллизации увеличивают подводимую электрическую мощность до величины, обеспечивающей достижение температуры в зоне роста на 100°С выше температуры плавления сплава металла-растворителя ~1500°С, при разнице температур между источником углерода и затравочным кристаллом 30°С. Суммарная длительность процесса выращивания кристалла составила 150 часов. Далее, как и в примере 1, под управлением автоматизированной системы контроля процессом кристаллизации осуществляют равномерное снижение подводимой электрической мощности в течение 3 часов, чем обеспечивают снижение температуры в реакционном объеме со скоростью 1 градус в минуту. Аналогично примеру 1 отделяют шайбу металла-растворителя с выращенным алмазом и растворяют металл в смеси соляной и азотной кислот (царская водка) в течение 30 мин. Извлекают выращенный алмаз и отмывают в дистиллированной воде с поверхностно-активными веществами и деионизированной водой. Вес выращенного кристалла составил 421 мг (2,1 карата), а средняя массовая скорость роста - 2,8 мг/ч. Концентрация примеси азота N_c, рассчитанная по величине коэффициента поглощения при 270 нм α₂₇₀, составляет 1,3 чнм (частей на миллион). Полученный кристалл был закреплен в связующем полимере внутри обоймы для проведения элементного анализа методом масс-спектроскопии вторичных ионов (ВИМС) (Фиг. 1, №2). Результаты измерения концентрации фосфора по глубине относительно поверхности {111} кристалла приведены на Фиг. 2, кривая 2. На глубине более 200 нм концентрация фосфора составила около 5 чнм.

Пример 3

Рост монокристалла алмаза, легированного азотом и фосфором, и анализ содержания фосфора выполняют аналогично примеру 1, но при соотношении графита и фосфора в реакционной системе 95,0 вес. % и 5,0 вес. % соответственно. Содержание алюминия в сплаве-растворителе: 2,5 вес. %. Содержание остальных элементов следующее: 92,5 вес. % Fe, 5,0 вес. % С.Создают давление в реакционном объеме 6,0 ГПа и под управлением автоматизированной системы контроля процессом кристаллизации увеличивают подводимую электрическую мощность до величины, обеспечивающей достижение температуры в зоне роста на 250°С выше температуры плавления сплава металла-растворителя ~1500°С, при разнице температур между источником углерода и затравочным кристаллом 50°С. Далее под управлением автоматизированной системы контроля процессом кристаллизации осуществляют равномерное снижение подводимой электрической мощности в течение 5 часов, чем обеспечивают снижение температуры в реакционном объеме со скоростью 1 градус в минуту. Аналогично примеру 1 отделяют шайбу металла-растворителя с выращенным алмазом и растворяют металл в смеси соляной и азотной кислот (царская водка) в течение 30 мин. Извлекают выращенный алмаз и отмывают в дистиллированной воде с поверхностно-активными веществами и деионизированной водой.

Суммарная длительность процесса выращивания составила 50 часов, вес выращенного кристалла составил 132 мг (0,66 карата), а средняя массовая скорость роста - 2,6 мг/ч. Концентрация примеси азота N_c, рассчитанная по величине коэффициента поглощения при 270 нм α₂₇₀, составляет 0,1 чнм (частей на миллион). Полученный кристалл был закреплен в связующем полимере внутри обоймы для проведения элементного анализа методом масс-спектроскопии вторичных ионов (SIMS) (Фиг. 1, №3). Результаты измерения концентрации фосфора по глубине относительно поверхности {111} кристалла приведены на Фиг. 2, кривая 3. На глубине более 200 нм концентрация фосфора составила около 2 чнм.

Предлагаемое техническое решение позволяет получать легированные монокристаллы алмаза весом более 0.6 карат с массовой скоростью роста более 2 мг/ч, содержащие примесь азота в концентрации 0,1-17.8 частей на миллион и фосфор в концентрации 0,5-5 частей на миллион. Полученные легированные монокристаллы алмаза могут применяться в изделиях активной электроники, оптоэлектроники и акустоэлектроники.