阅读说明：本技术 一种半导体功率芯片用金刚石单晶基片 (Diamond single crystal substrate for semiconductor power chip ) 是由 张新峰 黄国丰 龙安泽 王炜 曹磊 于 2020-04-16 设计创作，主要内容包括：本发明涉及半导体基片技术领域,且公开了一种半导体功率芯片用金刚石单晶基片,包括以下步骤：1)将半导体材料加热至4000摄氏度状态,得到熔融半导体基片。该一种半导体功率芯片用金刚石单晶基片,通过在P型披覆层植入磷,N型披覆层植入钡和锂,并通过N型欧姆电极连接和P型欧姆电极与金刚石薄片连接,形成具有金刚石单晶PIN二极体的基片,植入磷的P型披覆层与植入钡和锂的N型披覆层形成性能相当的可调式电子元件,并且通电产生的反应催生金刚石单晶,由于金刚石单晶这种材料具备超宽能隙,超过碳化硅与氮化镓,它的超宽能隙可防止在高温下产生热量,即使在非常高的温度和辐射强度下,金刚石单晶仍然保持透明,实现了具有极佳的散热性能,提高了使用寿命和传输效率。(The invention relates to the technical field of semiconductor substrates, and discloses a diamond single crystal substrate for a semiconductor power chip, which comprises the following steps: 1) the semiconductor material is heated to a temperature of 4000 degrees centigrade to obtain a molten semiconductor substrate. The diamond monocrystal substrate for the semiconductor power chip is characterized in that phosphorus is implanted into a P-type coating layer, barium and lithium are implanted into an N-type coating layer, the N-type coating layer is connected with a diamond sheet through an N-type ohmic electrode and a P-type ohmic electrode to form the substrate with the diamond monocrystal PIN diode, the P-type coating layer implanted with the phosphorus and the N-type coating layer implanted with the barium and the lithium form an adjustable electronic element with the same performance, and the diamond monocrystal is promoted by reaction generated by electrifying.)

一种半导体功率芯片用金刚石单晶基片

技术领域

本发明涉及半导体基片技术领域，具体为一种半导体功率芯片用金刚石单晶基片。

背景技术

半导体是制造晶体管的原料，之所以能得到广泛应用，主要原因并不在于它的电阻率大小，而在于其电阻率随温度、光照以及所含杂质的种类、浓度等条件的不同而出现显著的差别，一般说来半导体的导电性能有如下三个显著特点，半导体的电阻率随温度上升而明显下降，呈负温度系数的特性，半导体的电阻率随光照的不同而改变，半导体的电阻率与所含微量杂质的浓度有很大关系，金刚石单晶是天然矿物中的最高硬度，其脆性也相当高，用力碰撞仍会碎裂，源于古希腊语Adamant，意思是坚硬不可侵犯的物质，是公认的宝石之王，金刚石单晶的化学成分是碳，这在宝石中是唯一由单一元素组成的，属等轴晶系，常含有0.05%-0.2%的杂质元素，其中最重要的是N和B，他们的存在关系到金刚石单晶的类型和性质，晶体形态多呈八面体、菱形十二面体和四面体，纯净的金刚石单晶无色透明，由于微量元素的混入而呈现不同颜色，强金刚光泽，折光率2.417，色散中等，为0.044，均质体，热导率为0.35卡/厘米/秒/度，用热导仪测试，反应最为灵敏，硬度为10，是目前已知最硬的矿物。

半导体材料做成的半导体基片广泛运用于集成电路中，例如中国专利CN101894741 B中涉及一种混合半导体基片的制造方法，所述方法包括以下步骤，（a）提供包含绝缘体上半导体（SeOI）区域和块状半导体区域的混合半导体基片，所述绝缘体上半导体（SeOI）区域包含基础基片之上的绝缘层和所述绝缘层之上的SeOI层，其中所述SeOI区域和所述块状半导体区域共享同一基础基片，（b）提供所述SeOI区域上的掩模层，和（c）通过同时掺杂所述SeOI区域和所述块状半导体区域来形成第一杂质能级，使所述SeOI区域中的第一杂质能级包含在所述掩模中，由此可避免在混合半导体基片的制造方法中包含较多的工序步骤，但是所形成的半导体基片在使用的过程中存在着散热效果差的缺点，由于高耗电量以及高发热温度的影响，严重时会把元件给融化，故而提出一种半导体功率芯片用金刚石单晶基片来解决上述提出的问题。

发明内容

（一）解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种半导体功率芯片用金刚石单晶基片，具备散热极佳等优点，解决了现有的半导体基片在使用的过程中存在着散热效果差的缺点，由于高耗电量以及高发热温度的影响，严重时会把元件给融化的问题。

（二）技术方案

为实现上述散热极佳的目的，本发明提供如下技术方案：一种半导体功率芯片用金刚石单晶基片，包括以下步骤：

1）将半导体材料加热至4000摄氏度状态，得到熔融半导体基片；

2）在步骤1）中得到的半导体基片上形成N型披覆层和P型披覆层，然后在N型披覆层和P型披覆层之间加入金刚石薄片；

3）将步骤2）中的P型披覆层植入磷并与电性相对应的P型欧姆电极连接，N型披覆层植入钡和锂并与电性相对应的N型欧姆电极连接；

4）将步骤3）中的P型欧姆电极和N型欧姆电极用导线分别与金刚石薄片上对应的电极连接，即可得到金刚石单晶基片。

优选的，所述步骤1）中的熔融半导体材料需要喷吹惰性气体进行提纯，所述惰性气体的喷吹温度高于半导体材料熔点的温度，喷吹惰性气体用于去除半导体度基片上的杂质，从而提高半导体基片的纯度。

优选的，所述N型披覆层、P型披覆层和金刚石薄片的顺序依次向上为N型披覆层、金刚石薄片和P型披覆层。

优选的，所述金刚石薄片的厚度为五百纳米，所述半导体材料为二氧化硅，所述降温方式为梯度降温。

（三）有益效果

与现有技术相比，本发明提供了一种半导体功率芯片用金刚石单晶基片，具备以下有益效果：

该一种半导体功率芯片用金刚石单晶基片，通过在P型披覆层植入磷，N型披覆层植入钡和锂，并通过N型欧姆电极连接和P型欧姆电极与金刚石薄片连接，形成具有金刚石单晶PIN二极体的基片，植入磷的P型披覆层与植入钡和锂的N型披覆层形成性能相当的可调式电子元件，并且通电产生的反应催生金刚石单晶，金刚石在一般情况下是绝缘体，因为碳C的原子序数很小，对价电子的束缚作用非常强，价电子在一般情况下都摆脱不了价键的束缚，则禁带宽度很大，在室温下不能产生出载流子，所以不导电，但植入磷的P型披覆层与植入钡和锂的N型披覆层通电后使金刚石呈现出半导体的特性，并且于金刚石单晶这种材料具备超宽能隙，超过碳化硅与氮化镓，它的超宽能隙可防止在高温下产生热量，即使在非常高的温度和辐射强度下，金刚石单晶仍然保持透明，并且金刚石单晶具有超低电阻特性，通电后不会产生热量，使金刚石单晶PIN二极体的基片没有热点，不会出现寄生损耗，并且导热性能极佳，金刚石单晶的导热性能是硅的二十二倍，铜的五倍，实现了具有极佳的散热性能，提高了使用寿命和传输效率。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种半导体功率芯片用金刚石单晶基片，包括以下步骤：

1）将半导体材料加热至4000摄氏度状态，得到熔融半导体基片，半导体材料为二氧化硅，二氧化硅用于制造平板玻璃、玻璃制品、铸造砂、玻璃纤维、陶瓷彩釉、防锈用喷砂、过滤用砂、熔剂、耐火材料和制造轻量气泡混凝土，二氧化硅的用途很广，自然界里比较稀少的水晶可用以制造电子工业的重要部件、光学仪器和工艺品，二氧化硅是制造光导纤维的重要原料，一般较纯净的石英，可用来制造石英玻璃，石英玻璃膨胀系数很小；

2）在步骤1）中得到的半导体基片上形成N型披覆层和P型披覆层，然后在N型披覆层和P型披覆层之间加入金刚石薄片，N型披覆层、P型披覆层和金刚石薄片的顺序依次向上为N型披覆层、金刚石薄片和P型披覆层，金刚石薄片的厚度为五百纳米；

3）将步骤2）中的P型披覆层植入磷并与电性相对应的P型欧姆电极连接，N型披覆层植入钡和锂并与电性相对应的N型欧姆电极连接；

4）将步骤3）中的P型欧姆电极和N型欧姆电极用导线分别与金刚石薄片上对应的电极连接，即可得到金刚石单晶基片，通过在P型披覆层植入磷，N型披覆层植入钡和锂，并通过N型欧姆电极连接和P型欧姆电极与金刚石薄片连接，形成具有金刚石单晶PIN二极体的基片，植入磷的P型披覆层与植入钡和锂的N型披覆层形成性能相当的可调式电子元件，并且通电产生的反应催生金刚石单晶，由于金刚石单晶这种材料具备超宽能隙，超过碳化硅与氮化镓，它的超宽能隙可防止在高温下产生热量，对于包括半导体在内的晶体，其中的电子既不同于真空中的自由电子，也不同于孤立原子中的电子，真空中的自由电子具有连续的能量状态，即可取任何大小的能量，而原子中的电子是处于所谓分离的能级状态，晶体中的电子是处于所谓能带状态，能带是由许多能级组成的，能带与能带之间隔离着禁带，电子就分布在能带中的能级上，禁带是不存在公有化运动状态的能量范围，半导体最高能量的、也是最重要的能带就是价带和导带，导带底与价带顶之间的能量差即称为禁带宽度，半导体的禁带宽度一般是在3eV以下，电子易获得能量从满带跃迁到空带，电导增大，而绝缘体一般是5eV以上，电子不容易跃迁到空带，因此通常不能导电，可看出，禁带宽度越小导电性能是越好的，晶体中大量的原子集合在一起，而且原子之间距离很近，以硅为例，每立方厘米的体积内有5×1022个原子，原子之间的最短距离为0.235nm，致使离原子核较远的壳层发生交叠，壳层交叠使电子不再局限于某个原子上，有可能转移到相邻原子的相似壳层上去，也可能从相邻原子运动到更远的原子壳层上去，这种现象称为电子的共有化，从而使本来处于同一能量状态的电子产生微小的能量差异，与此相对应的能级扩展为能带，允许被电子占据的能带称为允许带，允许带之间的范围是不允许电子占据的，此范围称为禁带，原子壳层中的内层允许带总是被电子先占满，然后再占据能量更高的外面一层的允许带，被电子占满的允许带称为满带，每一个能级上都没有电子的能带称为空带，如果由许多孤立原子结合而成为晶体的时候，一条原子能级就简单地对应于一个能带，那么当温度升高时，晶体体积膨胀，原子间距增大，能带宽度变窄，则禁带宽度将增大，于是禁带宽度的温度系数为正，当温度升高时，晶体的原子间距增大，能带宽度虽然变窄，但禁带宽度却是减小的，当掺杂浓度很高时，由于杂质能带和能带尾的出现，而有可能导致禁带宽度变窄，禁带宽度对于半导体器件性能的影响是不言而喻的，它直接决定着器件的耐压和最高工作温度，对于BJT，当发射区因为高掺杂而出现禁带宽度变窄时，将会导致电流增益大大降低，禁带宽度是半导体的一个重要特征参量，其大小主要决定于半导体的能带结构，即与晶体结构和原子的结合性质等有关，半导体价带中的大量电子都是价键上的电子，不能够导电，即不是载流子只有当价电子跃迁到导带而产生出自由电子和自由空穴后，才能够导电空穴实际上也就是价电子跃迁到导带以后所留下的价键空位因此，禁带宽度的大小实际上是反映了价电子被束缚强弱程度的一个物理量，也就是产生本征激发所需要的最小能量作为载流子的电子和空穴，分别处于导带和价带之中，电子多分布在导带底附近，空穴多分布在价带顶附近高于导带底的能量就是电子的动能，低于价带顶的能量就是空穴的动能，即使在非常高的温度和辐射强度下，金刚石单晶仍然保持透明，并且金刚石单晶具有超低电阻特性，通电后不会产生热量，使金刚石单晶PIN二极体的基片没有热点，不会出现寄生损耗，并且导热性能极佳，金刚石具有超高性能的硬度，热导率极高，且具有宽带光学透射效率，在UV紫外、可见光、中远红外和太赫兹波段均具有广泛应用，光学方面如激光窗片、太赫兹窗片、UV光学窗片、真空窗片、分束器、ATR衰减全发射棱镜、Brewster布儒斯特窗片和CO2激光窗片等，CVD金刚石单晶从紫外到远红外和太赫兹波段都是透明的，由于在2.5um和6.5um之间的两个声子吸收，仅存在较小的吸收带，这使得金刚石成为多光谱光学应用的理想材料，此外，它的大带隙可防止在高温下产生热量，因此，即使在非常高的温度和辐射强度下，金刚石单晶仍然保持透明，除了这些性能外，其各种光学应用中其极端的导热性、硬度、耐磨性和耐化学性也很重要，金刚石单晶的导热性能是硅的二十二倍，铜的五倍，实现了具有极佳的散热性能，提高了使用寿命和传输效率。

本发明的有益效果是：通过在P型披覆层植入磷，N型披覆层植入钡和锂，并通过N型欧姆电极连接和P型欧姆电极与金刚石薄片连接，形成具有金刚石单晶PIN二极体的基片，植入磷的P型披覆层与植入钡和锂的N型披覆层形成性能相当的可调式电子元件，并且通电产生的反应催生金刚石单晶，金刚石在一般情况下是绝缘体，因为碳C的原子序数很小，对价电子的束缚作用非常强，价电子在一般情况下都摆脱不了价键的束缚，则禁带宽度很大，在室温下不能产生出载流子，所以不导电，但植入磷的P型披覆层与植入钡和锂的N型披覆层通电后使金刚石呈现出半导体的特性，并且于金刚石单晶这种材料具备超宽能隙，超过碳化硅与氮化镓，它的超宽能隙可防止在高温下产生热量，即使在非常高的温度和辐射强度下，金刚石单晶仍然保持透明，并且金刚石单晶具有超低电阻特性，通电后不会产生热量，使金刚石单晶PIN二极体的基片没有热点，不会出现寄生损耗，并且导热性能极佳，金刚石单晶的导热性能是硅的二十二倍，铜的五倍，实现了具有极佳的散热性能，提高了使用寿命和传输效率，解决了现有的半导体基片在使用的过程中存在着散热效果差的缺点，由于高耗电量以及高发热温度的影响，严重时会把元件给融化的问题。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。