專利名稱：在拼圖式鉆石基板形成p-n結(jié)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常是關(guān)于一種鉆石P-N結(jié)以及其相關(guān)方法。因此，本發(fā)明有關(guān)于化學、冶金、材料科學、物理以及高壓技術(shù)的領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
由于鉆石極高的硬度、原子密度以及高熱導性，所以對于很多應用來說是理想的
材料。因此，大的鉆石體有助于許多應用，包括相關(guān)的工具、基材、電子元件等，鉆石體包括
實質(zhì)上單一的晶向，且特別受到半導體以及散熱器相關(guān)產(chǎn)業(yè)的高度歡迎。 隨著電腦以及其他電子裝置越來越小且越來越快速，使用于半導體裝置中的需
求急劇增加，這些增加的需求由于電荷載子的累積而增加很多問題，如固有的量子起伏
(quantum fluctuation)中的電子與空穴。電荷載子的累積產(chǎn)生噪聲，且傾向于混淆半導體
裝置中的電子訊號，且當裝置的溫度增加時此問題會更加嚴重，許多載子累積可能因為本
質(zhì)上低的鍵能以及一般半導體晶格的各向異性；另一問題可能是來自目前的半導體材料，
這些半導體傾向于具有高的漏電流性(leaking current)以及低的擊穿電壓(break down
voltage)，當半導體晶體管以及其他電路元件的尺寸縮小，而伴隨著持續(xù)增加功率以及頻
率的需求，漏電流以及擊穿電壓的問題也更加嚴重。 當功率以及頻率的要求增加，且半導體元件的尺寸縮小時，尋找能減輕這些問題的材料對于半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展益顯重要，而可能適合于下一代半導體裝置的材料是鉆石。鉆石的物理特性(例如其高熱導性、低的本征載子濃度以及高的帶隙)使其成為使用于高功率電子裝置的理想材料。 產(chǎn)生鉆石層的方法包括已知的方法，如化學氣相沉積法(CVD)、物理氣相沉積法(PVD)以及在高壓裝置中長晶。各種CVD技術(shù)已經(jīng)用于有關(guān)于沉積鉆石或類鉆石材料在一基材上，一般CVD技術(shù)使用氣體反應物以使得鉆石或類鉆石材料沉積成一層狀結(jié)構(gòu)或薄膜狀結(jié)構(gòu)，這些氣體通常包括少量(即少于約5% )的碳化物材料，如以氫氣稀釋的甲烷。各種特定的CVD法(包括設(shè)備以及條件)皆為所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者所熟知的。
雖然單晶鉆石膜可用CVD法來生長，但此法目前非常昂貴且是以緩慢的速度成長到足夠使用作為鉆石體或鉆石基材的厚度；另一方面，以CVD法沉積的多晶鉆石(PCD)層能夠較快速地成長到足夠的厚度，且較不昂貴，然而，于該PCD層中的晶界將在任何沉積于其上的材料的晶格中產(chǎn)生差排，因此必須排除其使用在那些需要高品質(zhì)晶格的應用中。PVD程序產(chǎn)生相似的晶界問題，且因此不適用于許多應用。 可惜的是，目前已知的高壓晶體合成法也有很多缺點，而限制該等合成法制造大型、高品質(zhì)晶體的能力，例如，等溫法通常被限制于較小晶體的制造，該較小晶體是有助于在切割、磨蝕以及研磨的應用。溫度梯度法能用于制造較大的鉆石，但產(chǎn)品生產(chǎn)力以及品質(zhì)卻會受限；已經(jīng)有使用許多方法試圖克服這些限制， 一些方法結(jié)合許多鉆石晶種，然而，在晶種內(nèi)的溫度梯度使其在多于一粒晶種的狀態(tài)下無法達到最理想的生長狀況；而一些方法有關(guān)于提供二或更多溫度梯度的反應總成(如美國專利法第4， 632， 817號所述)，可惜高品質(zhì)鉆石通常只能在這些反應總成的較小部分產(chǎn)生；一些方法是關(guān)于調(diào)整溫度梯度以彌補一些限制。然而，這種方法需要額外的花費，且需要控制變數(shù)以在不同溫度以及生長材料的情形中同時控制的生長速率以及鉆石品質(zhì)。 因此，用以克服前述困難的裝置以及方法將在高壓晶體成長的領(lǐng)域有顯著的發(fā)展，且持續(xù)在找尋中。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供制造以及使用半導體單晶鉆石體的方法，包括通過這種方法所制造的半導體鉆石體。例如在一態(tài)樣中是提供一種制造一半導體單晶鉆石層的方法，這種方法是包括將多個鉆石片段在高壓且結(jié)合有熔融的催化劑以及一碳源的條件下設(shè)置于極接近的位置，其中，該鉆石片段是排列為單晶的方向；多個鉆石片段接著保持在高壓下以及熔融的催化劑中直到該等鉆石片段相互連接而使得鉆石與鉆石之間形成鍵結(jié)，以形成實質(zhì)上單晶的鉆石體；于該單晶鉆石體形成后，一同質(zhì)磊晶(homo印itaxial)單晶鉆石體層是沉積于該單晶鉆石體上；一摻雜物可被引入該同質(zhì)磊晶單晶鉆石體層中以形成一半導體單晶鉆石層。 該熔融的催化劑可包括一金屬催化劑，其是選自于由鉻(Cr)、錳(Mn)、鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)及其組合物和合金所組成的群組；在另一態(tài)樣中，該熔融的催化劑可包括一鐵鎳合金(Fe-Ni alloy)。在一態(tài)樣中，該碳源包括一選自于以下物質(zhì)所組成的群組石墨、鉆石、鉆石粉末、奈米鉆石、微米鉆石及其組合物；又另一態(tài)樣中，該碳源可為石墨；在另一態(tài)樣中，該石墨可包括一低電阻率的石墨；又再一態(tài)樣中，該碳源包括鉆石粉末。
各種型態(tài)的鉆石片段都能在本發(fā)明中被考慮。在一態(tài)樣中，可在高壓下放置于一熔融催化劑內(nèi)之前，該等鉆石片段可排列成一圖案；在高壓下放置于一熔融催化劑內(nèi)之前，該等鉆石片段可固定于一支撐基材可能是理想的。該等鉆石片段可用電鍍法固定于該支撐基材，例如鎳電鍍；在另一態(tài)樣中，該等鉆石片段是可通過一化學氣相沉積鉆石薄膜(CVDdiamond film)的技術(shù)固定于該支撐基材。再者，在一態(tài)樣中，該鉆石片段具有立方體形狀。在另一態(tài)樣中，該鉆石片段并非以后長晶法(post-growth processing)獲得立方體形狀。
已知很多可用于將一摻雜物引入一層狀結(jié)構(gòu)中的摻雜方法皆。應注意的是，任何已知的摻雜方法都能被視為于本發(fā)明的范疇中。因此，該摻雜物可包括各種特定的摻雜物，包括但不限制在氮(N)、磷(P)、砷(As)、銻(Sb)、鉍(Bi)、硼(B)、鋁(Al)、鎵(Ga)、銦(In)及其組合物；然而在一特定的態(tài)樣中，該摻雜物可為硼(B);在另一態(tài)樣中，該摻雜物可為氮(N);又另一態(tài)樣中，該摻雜物可為磷(P)。 本發(fā)明也可根據(jù)揭露或教示于此的態(tài)樣的各種方法制造出裝置。例如在一態(tài)樣中是提供一半導體單晶鉆石裝置，這種裝置可包括一以如上所述的方法所制成的單晶鉆石體；一形成于該單晶鉆石體上的同質(zhì)磊晶單晶鉆石體層；以及一設(shè)置于該同質(zhì)磊晶單晶鉆石體層內(nèi)的摻雜物以形成一半導體單晶鉆石層。 在另一態(tài)樣中是提供一種半導體裝置，其包括一以如上所述的方法所制成的單晶鉆石體；一形成于該單晶鉆石體上的同質(zhì)磊晶單晶鉆石體層；一設(shè)置于該同質(zhì)磊晶單晶鉆石體層內(nèi)的第一摻雜物以形成一半導體單晶鉆石層，該第一摻雜物為硼或鋁；一相鄰設(shè)置于該同質(zhì)磊晶單晶鉆石體層的單晶立方氮化硼層；以及一設(shè)置于該立方氮化硼層內(nèi)的第二
5摻雜物，以形成一半導體單晶立方氮化硼層，該第二摻雜物為氮、磷或砷。在一態(tài)樣中，該第一摻雜物為硼。在另一態(tài)樣中，該第二摻雜物為氮。
圖1是在高壓下生長的鉆石立方體的照片； 圖2是在高壓下生長的鉆石立方體的另一照片； 圖3是本發(fā)明一實施例的鉆石體的立體圖； 圖4是本發(fā)明另一實施例的鉆石體的立體圖； 圖5是本發(fā)明又一實施例的鉆石體的立體圖； 圖6是本發(fā)明一實施例的高壓總成的的剖面圖； 圖7是本發(fā)明一實施例的鉆石半導體器件的剖面圖； 圖8是本發(fā)明一實施例的鉆石半導體器件的剖面圖。 上述僅供用于敘述本發(fā)明。需要注意層狀結(jié)構(gòu)的真實尺寸以及特征可能與所示的有所不同。 附圖標記說明 10-—維鉆石體；12-鉆石片段；20-二維片體；30-三維鉆石體；40-高壓總成；
42-鉆石片段；44-內(nèi)部空間；46-奈米鉆石顆粒；48-金屬催化劑杯體；50-金屬催化劑蓋體；52-石墨層；70-單晶鉆石體；72-邊緣；74_同質(zhì)磊晶單晶鉆石體層；76_單晶立方氮化
具體實施例方式
在揭露與敘述本發(fā)明之前，需要了解本發(fā)明并非限制于在此所揭露的特定的結(jié)
構(gòu)、方法步驟以及材料，而是可延伸至所屬技術(shù)領(lǐng)域具通常知識者能思及的等效結(jié)構(gòu)、方法步驟及材料，而以下說明中所使用專有名詞的目的只是在敘述特定實施例，并非意欲對本發(fā)明有任何的限制。 值得注意的是在本說明書及其權(quán)利要求中所使用的單數(shù)型態(tài)字眼如"一"和"該"，
除非在上下文中清楚明白地指示為單數(shù)，不然這些單數(shù)型態(tài)的先行詞亦包括多個對象，因此例如"一研磨片段"包括一個或多個這樣的研磨片段。 以下是在本發(fā)明的說明及權(quán)利要求中所出現(xiàn)的專有名詞的定義。 所述的"一維(one dimensional)"是指利用鉆石片段制造的鉆石體僅以一個方向
排列，一維方向的鉆石體的例子顯示于圖3 ; 所述的"二維(two dimensional)"是指利用鉆石片段制造的鉆石體僅以二個方向排列，二維方向的鉆石體的例子顯示于圖4 ; 所述的"三維(three dimensional)"是指利用鉆石片段制造的鉆石體以三個方向排列，三維方向的鉆石體的例子顯示于圖5 ; 所述的"極接近(close proximity)"是指間隔設(shè)置的鉆石片段之間的距離非常接近，以使得在鉆石片段之間之間隔中能有足夠的鉆石沉積物，以令鉆石與鉆石之間形成鍵結(jié)，但并非如此的靠近而妨礙碳源的穿透或?qū)е麻g隔的過早靠近(premature closing)。
所述的"高壓總成(high pressure assembly)"是指至少部分的高壓總成處于能
維持在高壓或超高壓狀態(tài)下，以足夠放置于其中的材料生長，如通常該高壓總成包含碳源、
催化材料以及鉆石晶種，該等材料可放置于該高溫總成中且至少部分被一壓力媒介和/或
密封帶(gasket)總成所包覆。然而，于所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者能了解該高壓總成
能通過幾乎任何材料所組成，并施以高壓，以達到如化學反應、晶體生長、高壓性質(zhì)測量等
的目的。各種高壓總成能由本發(fā)明得知，且被使用于本發(fā)明中。這種高壓總成也能包括惰
性密封帶、分隔物(s印arator)或其他能夠增進高壓/高溫狀態(tài)的材料。 所述的"高壓(high pressure)"是指高于大約IMPa的壓力，更佳的是高于約
200MPa。 所述的"超高壓(ultrahigh pressure)"是指大約lGPa至約15GPa的壓力，更佳的是從約4GPa至約7GPa。 所述的"合金(alloy)"是指具有第二材料的金屬的固態(tài)溶液或液體混和物，所述
的第二材料可為能夠促進或增加該金屬的性質(zhì)的非金屬(如碳)、金屬或合金。 所述的"包裹體(inclusion)"是指捕捉非金屬材料進入正在生長的晶體內(nèi)部。通
常，該包裹體是指在快速的生長條件下圍住催化劑金屬的晶體，或者，包裹體可為代替鉆石
形成在鉆石的晶體生長表面以及周遭材料之間所產(chǎn)生碳沉積物。通常，包裹體最常在高壓/
高溫生長時，在實質(zhì)數(shù)量的碳和/或溫度以及壓力條件控制不充分的情形下于鉆石的生長
表面形成。 所述的"熱接觸(thermal contact)"是指在材料之間的鄰近，其使得熱從一材料傳遞至另一材料。因此，熱接觸并不要求二材料是以直接的物理接觸，材料可選擇具有各種熱傳導性，以依照想要達到的目的而促進或妨礙熱接觸。 所述的"寶石品質(zhì)(gem quality)"是指當以肉眼觀看時沒有可見的不規(guī)則結(jié)構(gòu)(如包裹體、缺陷等)的晶體。根據(jù)本發(fā)明所生長的晶體存在有可與適合作為寶石的自然晶體比較的寶石品質(zhì)。 所述的"基材(substrate)"是指可供許多材料結(jié)合的一表面，以形成鉆石器件。本發(fā)明有用的基材可為各種形狀、厚度或材料，其是可在某種程度上支撐超研磨顆粒以足夠提供有用于達到所欲達成的目的的工具。該基材包括但不限制在金屬、合金、陶瓷材料以及其混合物。再者，在一些方面，該基材可為一個已存在的半導體器件或晶圓，或者可是能夠與適合裝置結(jié)合的材料。 所述的"金屬的(metallic)"是指任何型態(tài)的材料或化合物，其中該材料的大部分為金屬。各種可考慮的金屬的范例特別有助于本發(fā)明的實行，包括但不限制在鋁(aluminum)、鴇(tungsten)、鉬(molybdenum)、組(tantalum)、鋯(zirconium)、釩(vanadium)、絡(luò)(chromium)、銅(copper)及其合金。 所述的"鉆石層(diamond layer)"、"鉆石片(sheet of diamond)"、"鉆石體(diamond body)"等是指任何含鉆石材料的結(jié)構(gòu)(不論形狀)。因此，例如覆蓋部分或整體表面的鉆石膜是包括在此名詞的意義中。除此之外，具有鉆石顆粒分布其中的一材料層，如金屬、壓克力或復合物層是包括在此名詞中。 所述的"含鉆石的材料(diamond-containing materials)"是指任何許多包含鍵結(jié)于至少一些以sp3結(jié)構(gòu)結(jié)鍵的碳原子的碳原子材料。含鉆石的材料包括但不限制在天然
7或合成的鉆石、多晶鉆石、類鉆碳、非晶鉆石等。 所述的"晶界(grain boundaries)"是指與鄰近晶種 一 起成核的晶格的邊界。 一個范例包括與許多具有不同方向的晶粒的晶種一起成核，以形成一異質(zhì)磊晶層(hetero印itaxial layer)。 ^f:fe&白勺"l^本l1， (crystal dislocations) ，， "H， (dislocations)，，胃《f免使用，并且是指任何在一晶格中從實質(zhì)上理想的次序和/或?qū)ΨQ中產(chǎn)生的任何變動。
所述的"氣相沉積的(v即or d印osited)"是指一種通過氣相沉積法所形成的材料，"氣相沉積法"是指一種通過氣體相將物質(zhì)沉淀在基材上的方法，其包括任何例如，但不限制為化學氣相沉積法(chemical v即or d印osition， CVD)和物理氣相沉積法(physicalv即or d印osition， PVD)，每一個氣相沉積法的使用皆可由于本領(lǐng)域具通常知識者在不改變主要原理的情況下做變動，因此該氣相沉積法的例子包括熱絲氣相沉積法(filamentCVD)、射頻化學氣相沉積法(rf-CVD)、激光化學氣相沉積法(laser CVD，LCVD)、激光脫落法(laser ablation)、保形鉆石涂布方法(conformal diamond coating processes)、金屬有機物化學氣相沉積法(metal-organic CVD， M0CVD)、濺鍍、熱蒸鍍(thermal evaporationPVD)、離子化金屬物理氣相沉積法(ionized metal PVD， MPVD)、電子束氣相沉積法(electronbeam PVD， EBPVD)以及反應性氣相沉積法(reactive PVD)等其他類似的方法。
所述的"化學氣相沉積(chemical v即or exposition)"或"CVD"是指任何以氣相狀態(tài)化學沉積鉆石或其他顆粒于一表面的方法。各種CVD是所屬技術(shù)領(lǐng)域具有通常知識者所知悉的。 所述的"化學氣相沉積被動材料(CVD passive material)"是指在使用CVD法時在材料中不會有鉆石或其他材料的實質(zhì)沉積物的材料。有關(guān)于鉆石沉積物的一 CVD被動材料的范例為銅，因此，當進行CVD法時，碳不會沉積在銅上，而是僅有在CVD主動材料(如硅、鉆石或其他已知的材料)上。因此，CVD被動材料對于一些材料為"被動的"，對于其他材料卻不是，例如， 一些碳化物形成物能成功地沉積在銅上。 所述的"物理氣相沉積(physical v即or exposition)"或"PVD"是指任何以氣相狀態(tài)物理沉積鉆石顆粒于一表面的方法。各種PVD是所屬技術(shù)領(lǐng)域具有通常知識者所知悉的。 所述的"相鄰設(shè)置(disposed adjacent to)"是指具有鄰接表面的二材料，其中該等材料為電耦合。在一態(tài)樣中，電耦合可包括物理接觸；在另一態(tài)樣中，電耦合可包括介電材料設(shè)置于二材料之間的的情形。例如，二層狀結(jié)構(gòu)相鄰設(shè)置可包括一層狀結(jié)構(gòu)是設(shè)置于另一層狀結(jié)構(gòu)頂部的構(gòu)型、一層狀結(jié)構(gòu)緊鄰于另一層狀結(jié)構(gòu)或設(shè)置于其側(cè)邊的構(gòu)型、一層狀結(jié)構(gòu)設(shè)置于另一層狀結(jié)構(gòu)的中的構(gòu)型等。"實質(zhì)地"指的是步驟、特性、性質(zhì)、狀態(tài)、結(jié)構(gòu)、項目或結(jié)果的完全、接近完全的范圍或程度。例如，一個"實質(zhì)上"被包含的對象是指該對象是完全包含或接近完全包含。而離絕對完全確實可允許的偏差可在不同情況下依照特定上下文來決定。然而，通常來說接近完全就如同獲得絕對或完整的完全具有相同的總體結(jié)果。所用的"實質(zhì)上地"在當使用于負面含意亦同等適用，以表示完全或接近完全缺乏步驟、特性、性質(zhì)、狀態(tài)、結(jié)構(gòu)、項目或結(jié)果。舉例來說，一"實質(zhì)上沒有"顆粒的組成可為完全缺乏顆粒，或者非常近乎完全缺乏顆粒，而其影響會如同完全缺乏顆粒一樣。換句話說，一"實質(zhì)上沒有"一成分或元素的組
8成只要沒有可測量到的影響，可實際上依然包含這樣的物質(zhì)。 所述的"大約(about)"是可在邊界值"高一些"或"低一些"的數(shù)值，以用于提供一數(shù)值范圍的邊界值的彈性。 這里所述的多個物品、結(jié)構(gòu)元件、組成元素和/或材料，基于方便可出現(xiàn)在一般的常見列舉中，然而這些列舉可解釋為列舉中的每一構(gòu)件單獨或個別地被定義，因此，這樣列舉中的單一構(gòu)件不能視為任何單獨基于在一般族群中無相反表示的解釋的相同列舉中實際上相等的其他構(gòu)件。 濃度、數(shù)量以及其他數(shù)值上的數(shù)據(jù)可是以范圍的形式來加以呈現(xiàn)或表示，而需要了解的是這種范圍形式的使用僅基于方便性以及簡潔，因此在解釋時，應具有相當?shù)膹椥?，不僅包括在范圍中明確顯示出來以作為限制的數(shù)值，同時亦可包含所有個別的數(shù)值以及在數(shù)值范圍中的子范圍，如同每一個數(shù)值以及子范圍被明確地引述出來一般。例如一個數(shù)值范圍"約1到約5"應該解釋成不僅僅包括明確引述出來的大約1到大約5，同時還包括在此指定范圍內(nèi)的每一個數(shù)值以及子范圍，因此，包含在此一數(shù)值范圍中的每一個數(shù)值，例如2、3及4，或例如l-3、2-4以及3-5等的子范圍等，也可以是個別的1、2、3、4和5。
此相同原則適用在僅有引述一數(shù)值的范圍中，再者，這樣的闡明應該能應用在無
論是一范圍的幅度或所述的特征中。
本發(fā)明 由于半導體裝置體積縮小以及功率提高的要求，有效散熱的技術(shù)正持續(xù)尋找中，而能想到鉆石材料因其高熱傳導效率(thermal efficiency)，故可用于半導體裝置的散熱；除了單純的熱考量外，較佳的是該半導體材料具有單晶的方向，因此盡可能包含越少的晶格差排或晶界，以使一半導體裝置的功率最大化。 雖然單晶鉆石膜能以化學氣相沉積法(CVD)沉積而具有最小的晶界，但對于沉積特別使用于半導體技術(shù)(高品質(zhì)的半導體層是重要的)的鉆石厚層的成本常常是過高的，因此，適合使用單晶鉆石體或?qū)?，其需要較少的價格來制造，且能比既有CVD鉆石更厚，這種單晶鉆石體能用作為沉積摻雜的氣相沉積鉆石層所用的基材，故能制造厚的鉆石半導體材料。因為所沉積的鉆石體具有單晶方向，該CVD鉆石層將磊晶成長地沉積，且因此若有任何晶體差排，將幾乎不具有CVD鉆石層。這種裝置可用作高效率的鉆石半導體。
鉆石材料在鉆石片段之間的間隔中的沉積能有效地產(chǎn)生固體鉆石體，其在結(jié)構(gòu)上是連續(xù)的，且因此為實質(zhì)上單晶鉆石體。這種鉆石體可包含在該等鉆石片段之間的晶界以及晶體差排，或者若有任何晶體差排，其可實質(zhì)上晶格匹配而幾乎沒有沉積。在一些態(tài)樣中，當晶界存在于鉆石片段之間，一磊晶成長的CVD鉆石層仍可被沉積，其是因為單晶方向主要存在于大部分鉆石體表面的優(yōu)勢，即該等鉆石體本身的方向性。 本發(fā)明的一態(tài)樣是提供制造一半導體單晶鉆石層的方法，這種方法可包括將多個鉆石片段在高壓且結(jié)合有熔融的催化劑以及一碳源的條件下設(shè)置于極接近的位置，該鉆石片段是排列為單晶的方向；多個鉆石片段保持在高壓下以及熔融的催化劑中直到該等鉆石片段相互連接而使得鉆石與鉆石之間形成鍵結(jié)，以形成實質(zhì)上單晶鉆石體。于該單晶鉆石體形成后， 一同質(zhì)磊晶單晶鉆石體層是沉積于該單晶鉆石體上，且一摻雜物可被引入該同質(zhì)磊晶單晶鉆石體層中以形成一半導體單晶鉆石層。在許多態(tài)樣中，該摻雜物在該同質(zhì)磊晶單晶鉆石體層沉積時被引入。然而，應了解的是，該摻雜物在鉆石層沉積之后引入的技術(shù)也是包含于本發(fā)明的權(quán)利要求的范疇中。 在更多的特定態(tài)樣中，形成一實質(zhì)上單晶鉆石體的方法可再包含將多個具有實質(zhì)上一致的形狀的鉆石片段排列于一高壓裝置中，該等鉆石片段是以一對應于所想要的鉆石體形狀而預定的圖案排列。 一金屬催化劑以及一碳源可被加入該高壓裝置中，且接著可施加一壓掣力(pressing force)至該高壓裝置中，以足夠提供足以轉(zhuǎn)換金屬催化劑為熔融催化劑的高壓。該壓掣力可維持一段時間以足以將該等鉆石片段結(jié)合于一實質(zhì)上單晶鉆石體，在該鉆石體形成后，可如上所述沉積該摻雜的同質(zhì)磊晶單晶鉆石體層。
該鉆石片段能有任何適合極接近放置的形狀。然而，很多鉆石形狀同時露出立方體以及八面體面。此情形可能使鉆石體的形成變得復雜，特別在那些想要晶格匹配的態(tài)樣中，其是因為在排列該等鉆石片段時立方體和八面體面之間的晶格差排。因此，對齊于匹配的結(jié)晶面的鉆石片段可幫助鉆石與鉆石之間鍵結(jié)的形成，而顯露出比那些非匹配的結(jié)晶面增進的晶格匹配，使用具有立方體形狀的鉆石片段能幫助形成這種定向。請參看圖l及圖2所示，在一態(tài)樣中，具有立方體形狀的鉆石片段為鉆石立方體(cube)，鉆石立方體有助于其具有相同立方體結(jié)晶面暴露于各側(cè)，因此該等立方體能排列一起且具有對齊的面。因此，無論在鉆石體形成之前該等立方體于排列時如何定向，其將具有多個對齊的面。此情形有助于在產(chǎn)生的鉆石體中增進鉆石片段之間的晶格匹配，可使用方法以及裝置來生長高品質(zhì)的鉆石，其包括鉆石立方體以及其他有用的形狀，如在01/13/04申請的美國專利第7， 128， 547號以及在08/25/05申請的美國申請第10/926， 576號專利以及在02/06/04申請的美國申請第10/775， 042號專利，其皆可合并于此作為參考。圖1及圖2顯示通過這種方法生長的鉆石立方體的范例。優(yōu)點在于這種方法生長鉆石片段以作為鉆石立方體，因此幾乎不需要或完全不需要后長晶法(post-growth processing)。后長晶法可定義為任何能在一鉆石片段形成后改變其形狀的方法，例如研磨、切割或磨碾(grinding)等。
鉆石片段能依照所要的鉆石體結(jié)構(gòu)而以各種不同的構(gòu)型置放。例如圖3所示，鉆石片段12能對齊于一單一排以形成一維鉆石體IO，如一桿體或一柱體。 一維鉆石體10所有的形狀和結(jié)構(gòu)能依照所使用的鉆石片段12的形狀而有所不同，或依照該鉆石片段12在結(jié)合之前的排列而有所不同。鉆石片段12也能置放成二維陣列(array)，以形成二維片體20或其他層狀結(jié)構(gòu)，如圖4所示。在一態(tài)樣中，該二維片體20能通過對齊鉆石片段12成為二維陣列以及同時結(jié)合該整體的陣列所形成。在另一態(tài)樣中，多個一維鉆石體io能分開形成，且隨后對齊且結(jié)合一二維片體20。無論形成的方法為何，二維鉆石片體20可依照所要的應用而為高度平坦，或其可具有彎曲或不規(guī)則的表面，例如，二維鉆石片體可彎曲而形成一鉆石管或其他圓柱體。 如圖5所示也可考慮，該鉆石片段12能置放成三維陣列，因此形成一三維鉆石體30，其具有長、寬、高，其皆大于一個別的鉆石片段12的長、寬、高。該三維鉆石體30能為對
稱的或不對稱的，例如但不限制在一片體具有一高度(或厚度)大于一單一鉆石片段、一長方體、一球體、一梯形體、一錐形體等的厚度。其也可具有不規(guī)則的表面以符合所要的使用。
于所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者能考慮任何由鉆石片段12所構(gòu)成的形狀皆能考慮在本發(fā)明的范疇中。在一態(tài)樣中，該三維鉆石體30能通過將鉆石片段12對齊至三維陣列并同時結(jié)合整體陣列所形成。在另一態(tài)樣中，多個二維片體20、多個一維鉆石體10或二者能分開形成，且隨后對齊且結(jié)合一三維鉆石體30。無論形成的方法為何，三維鉆石體30可依照所要的應用而為高度平坦的表面，或至少一彎曲或不規(guī)則的表面。 因此，在一態(tài)樣中，該等鉆石片體在高壓下放置于一熔融催化劑內(nèi)之前是排列成 一圖案，該等片段能通過任何于所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者所知的方法排列，以排 列小的物體，包括但不限制在機械震動(mechanical vibration)、模板轉(zhuǎn)換(template transfer)等。在機械震動法方面，該等鉆石片段可放置于一攪拌器中直到它們在攪拌器中 相互對齊；若使用鉆石立方體，則因為該等鉆石暴露的立方面的排列而讓實質(zhì)上單晶鉆石 體能生長，其也可有助于在高壓下放置于一熔融催化劑內(nèi)之前，將該等鉆石片段固定在一 支撐基材上，這種結(jié)合能用于在移動以及高壓生長法時穩(wěn)固(immobilize)該鉆石片段至 想要的位置。在一態(tài)樣中，該等鉆石片段可以電鍍法固定于該支撐基材，一特定電鍍法的例 子是鎳電鍍，這是于所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者熟知的方法。該鉆石片段也能通過一 固定劑而固定在該基材上，任何固定劑皆能視為在本發(fā)明的范疇中，包括粘著劑、能夠?qū)嵸|(zhì) 上讓該等鉆石片段穩(wěn)固于支撐基材且不會干擾該鉆石生長法的物質(zhì)；特定的例子可為環(huán)氧 樹脂、橡膠膠結(jié)材料、壓克力等。 該等鉆石片段也可至少部份固定在一起以消除定位之后的移動，其可通過于所屬 技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者所知的任何方法固定。在一例子中，該鉆石片段能被排列且通 過一固定劑固定于一暴露表面，或者，其可通過如CVD或PVD沉積法固定于一暴露的表面。 在此態(tài)樣中，能沉積一結(jié)合材料薄層以讓該等鉆石片段固定于一單一體中，該結(jié)合材料能 為任何可以氣相沉積的材料，如各種金屬、非金屬和陶瓷。在一態(tài)樣中，該結(jié)合材料為鉆石 氣相沉積層，包括多晶鉆石(PCD)。在固定之后，該鉆石體被翻面，所以該被固定的表面是鄰 近于一支撐基材或定位表面，且鉆石的生長能在該目前被暴露的表面上進行。各種定位鉆 石片段且將其結(jié)合一起并結(jié)合至一支撐基材的方法在美國專利第6，158，952號中陳述，其 是可結(jié)合于此作為參考。 所呈現(xiàn)的支撐基材可由任何于所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者所知的方法形成， 以在需要鉆石生長的情形下支撐該鉆石片段，且其不會干擾其生長。在一態(tài)樣中，該支撐基 材能允許原料擴散至其中。在另一態(tài)樣中，該支撐基材可為金屬催化劑。適合于支撐基材 的材料的非限制性范例包括石墨、氯化鈉(NaCl)、白云石(dolomite)、滑石(talc)、葉蠟石 (pyrophillite)、金屬氧化物等；該支撐基材可為暫時性的，或其可為該鉆石體的永久部 分。 在本發(fā)明的另一態(tài)樣中，該鉆石片段可排列于一耐火金屬容器中，適合作為該 耐火金屬容器的材料包括但不限制在鉭(tantalum)、鈦鋯合金(titaniumzirconi咖)、 鉬(molybdenum)、鴇(tungsten)等。然而在此情形中，金屬催化劑需要與碳源一起被 加入該耐火金屬容器中，在容器外的密封帶或壓力媒介材料可包括但不限制在氯化鈉 (sodium chloride)、葉蠟石(pyrophillite)、滑石(talc)、白云石(dolomite)、六角氮化 棚(hexagonal boron nitride)、石墨(gr即hite)等。 各種產(chǎn)生鉆石生長的高壓方法皆為所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者所知悉，且全 部皆可被考慮在本發(fā)明的范疇中。通常，等溫法或溫度梯度法是用于合成鉆石，各方法利用 碳在各種情形(如溫度、壓力以及材料濃度)之下的溶解度。在一態(tài)樣中，一等溫法是關(guān)于 使用一碳源材料與一金屬催化劑，該碳源可為石墨或如在此所述的其他形式的碳材料。在 高壓及高溫下，石墨比鉆石更能溶解于一熔融催化劑，因此，石墨趨向于溶解或分散至該熔融金屬或在高達飽和點時隨即產(chǎn)生一膠體懸浮液，超過的碳接著會像鉆石一樣沉淀出來，且沿著該等鉆石片段之間的間隔沉淀。通常，一鉆石片段的生長表面能通過一熔融催化劑的薄的包覆層所覆蓋。在此情形中，碳能溶解至該熔融催化劑包覆層并通過該熔融催化劑包覆層而朝向該鉆石片段擴散。 在又一態(tài)樣中，一溫度梯度法是關(guān)于在碳源和鉆石片段之間保持一溫度梯度，其是能通過一熔融催化劑的相對厚層所分隔，該碳源是保持在較該等鉆石片段間之間隔高的溫度，因此，碳在較熱的區(qū)域是可溶的；接著碳可沿著鉆石片段之間之間隔朝該較冷的區(qū)域擴散，碳的溶解度在該較冷區(qū)域會降低，因此使得碳能如鉆石一樣沉淀，且因此封閉該等間隔。通常，該熔融的催化劑層是相對的厚，以保持一足夠的溫度梯度，如2(TC至50°C。
當該等鉆石片段之間的間隔通過鉆石與鉆石的鍵結(jié)結(jié)合，來自熔融催化劑的金屬在晶界中會變得受限。此依照所產(chǎn)生的鉆石體的預期使用可能不是問題。例如，若該鉆石體是用于作為供單晶層進一步磊晶成長地生長(如CVD沉積的鉆石)的一基材，在晶界上的金屬包裹體并不會影響CVD鉆石層的磊晶成長，這種單晶層可在該鉆石體成形時原位(insitu)沉積，或通過各種CVD法的方式接著形成鉆石體。同樣地，散熱器、寶石、工具等可能不常因晶界中的金屬受限所影響。 然而，所產(chǎn)生的鉆石體的其他想要的應用可能會受到在晶界中顯著金屬量的影響。在此情形中，金屬包裹體的數(shù)量能通過減慢鉆石的沉積率而最小化或消除，也能利用熱循環(huán)以減少金屬包裹體以及在鉆石片段之間的晶界的晶體差排。再者，較慢的熱循環(huán)速率以及更精確的循環(huán)的溫度控制可產(chǎn)生較少的金屬包裹體以及晶體差排，通過部分熔融和生長期間的循環(huán)，在晶格中沿著晶界的金屬包裹體、污染物以及缺陷能從所形成的鉆石體移除。其部分是因為純晶格比晶體差排和金屬雜質(zhì)區(qū)域具有較低的自由能這個事實，因此，那些不純區(qū)域會先熔融，且被更多純晶格取代。 該金屬催化劑可依照想要生長的晶體而包括任何適合的金屬催化劑材料。適合鉆石合成的金屬催化劑材料能包括金屬催化劑粉末、固體層或固體板，其是具有包括一能夠促進鉆石從碳源材料生長的碳溶劑的任何金屬或合金。適合的金屬催化劑材料的非限制范例包括鐵(Fe)、鎳(Ni)、鈷(Co)、錳(Mn)、鉻(Cr)及其合金。許多常見的金屬催化劑合金包括鐵鎳合金(Fe-Ni，如INVAR合金)、鐵鈷合金(Fe-Co)、鎳錳鈷合金(Ni-Mn-Co)等。在特定的態(tài)樣中，金屬催化劑材料可為鐵鎳合金(如Fe-35Ni、Fe-31Ni-5Co、Fe-50Ni以及其他INVAR合金)。另外，金屬催化劑能通過堆迭不同的材料層以產(chǎn)生多層金屬催化劑層或通過在催化劑層中提供不同材料區(qū)；例如，鎳以及鐵板或緊壓的(compacted)粉末能層狀化以形成多層鐵鎳催化劑層，這種多層催化劑層能通過在所給的溫度下減慢或促進最初生長速率來減少成本和/或用于控制生長條件。除此之外，在鉆石合成反應中的金屬材料包括添加物以控制生長速率和/或鉆石的雜質(zhì)程度，即通過抑制碳的擴散、防止過多的氮和/或氧擴散至鉆石或影響晶體顏色；合適的添加物能包括鎂(Mg)、鈣(Ca)、硅(Si)、鉬(Mo)、鋯(Zr)、鈦(Ti)、釩(V)、鈮(Nb)、鋅(Zn)、釔(Y)、鎢(W)、銅(Cu)、鋁(Al)、金(Au)、銀(Ag)、鉛(Pb)、硼(B)、鍺(Ge)、銦(In)、釤(Sm)及上述材料與碳和硼的化合物。
該金屬催化劑可具有適當?shù)拈g隔尺寸以使碳源能擴散至該催化劑層，且在一些情形中，能保持溫度梯度。通常，該金屬催化劑能形成一厚度約為lmm至約20mm的層狀結(jié)構(gòu)；然而，此范圍外的厚度也能依照所想要的生長速率、溫度梯度的強度(magnitude)等而使用。 該碳源是一種能提供碳的來源以供所要的鉆石體生長，在鉆石生長條件下，碳源 可包括材料如石墨、無定形碳、鉆石、鉆石粉末、微米鉆石、納米鉆石及其組合物。在本發(fā)明 的一態(tài)樣中，該碳源層包括石墨，如高純度石墨。雖然能使用各種碳源材料，石墨通常提供 良好的晶體生長，且促進該生長的鉆石的同質(zhì)性(homogeneity)。再者，石墨的低電阻性也 可提供能快速轉(zhuǎn)換成鉆石的碳源材料，然而，應考慮有關(guān)石墨至鉆石的轉(zhuǎn)換的體積縮減。當 使用石墨作為碳源，在石墨轉(zhuǎn)換成鉆石時該壓力可因為體積減少而降低，減少此問題的一 可選方式是設(shè)計一高壓裝置，以持續(xù)增加壓力來補償該體積縮減，因此維持一想要的壓力。 使用鉆石粉末作為碳源雖需較高的制造成本，但也可降低體積縮減的程度，且能增加維持 最佳壓力條件的時間。 該壓掣力傳遞至或經(jīng)過該高壓裝置能夠依照傳遞方法以及所想要得到的鉆石體 構(gòu)型而有所不同，因此，在此揭露且于范圍之外的壓力可證明有結(jié)合鉆石片段至一鉆石體 的效果，且因此視為包括于本發(fā)明的范疇中。因此，該壓掣力可足夠提供超高壓力。在一態(tài) 樣中，該超高壓可從約4GPa至約7Gpa。在另一態(tài)樣中，該超高壓可從約5GPa至約6Gpa。
各種能夠傳遞適合高壓的高壓裝置是于所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者所熟知 的，且也皆視為屬于本發(fā)明的范疇。高壓裝置包括產(chǎn)生高壓或超高壓的裝置以及任何腔體、 總成或其他為了容納該等鉆石片段、熔融催化劑以及碳源的封閉物。因此，一裝置可包括分 離模具裝置(split die devices)、固定裝置(girdledevices)、帶式裝置(belt devices)、 活塞缸壓力機(piston-cylinder press)以及環(huán)狀裝置(toroidal devices)。在一特定態(tài) 樣中，該高壓裝置可為分離模具裝置。 在一些高壓生長方法中，可施加熱能至該鉆石片段、熔融催化劑以及碳源，且足以 產(chǎn)生高溫。在一態(tài)樣中，一電流能接著直接通過一石墨加熱管或石墨碳源，該催化劑材料的 電阻式加熱(resistive heating)能足夠?qū)е略摯呋瘎┎牧先廴冢缫话愣缘窍拗茥l 件，對于鉆石約為1300°C。在這種高壓以及高溫條件下，碳源能溶解于該熔融催化劑中，且 沉積為一晶體型式，如鉆石沿著該等鉆石片段之間的間隔。而且，如在此所述，施加熱能至 鉆石片段能夠是循環(huán)式的，以減少沿著晶界的晶體差排以及金屬包裹體產(chǎn)生。
根據(jù)一態(tài)樣，圖6顯示一高壓總成40的范例，以放置在一高壓裝置(圖中未示) 中來形成一鉆石體。該高壓總成40可包括多個極靠近地放置于一內(nèi)部空間44的鉆石片段 42。在此態(tài)樣中，納米鉆石顆粒46是位于該內(nèi)部空間44中且沿著該等鉆石片段42 ;該金 屬催化劑是由一金屬催化劑杯體48和/或金屬催化劑蓋體50所提供。該金屬催化劑杯體 48和蓋體50是被一石墨層(52)所包圍，該石墨層(52)的功用是在于提供從高壓裝置至該 內(nèi)部空間44的壓力轉(zhuǎn)換(transmission)、為加熱而提供的電流路徑以及為在該熔融催化 劑內(nèi)生長所提供的額外碳源材料。 一高壓且可能有熱提供至該高壓總成40時，至少部分金 屬催化劑是熔融以形成該熔融催化劑且該碳源是熔融。鉆石生長是發(fā)生在該等如前所述的 鉆石片段42間的間隔中，因此形成一鉆石體。 如前所述，通過本發(fā)明的方法所制造的該等鉆石體能具有很多種構(gòu)型、尺寸、厚度 以及形狀。在一態(tài)樣中，該鉆石體能為一鉆石片(sheet)。在一態(tài)樣中，該鉆石片可實質(zhì) 上為晶格匹配的。該鉆石體可包括一鉆石片，具有至少0. lmm的厚度以及至少lmm的寬 度。該鉆石片可為任何寬度，在一態(tài)樣中，該鉆石片可具有至少0. 5mm的厚度；在另一態(tài)樣中，該片體可具有至少1mm的厚度；在另一態(tài)樣中，該片體可具有至少2. 5mm的厚度；在另一態(tài)樣中，該片體可具有至少5mm的厚度；在另一態(tài)樣中，該片體可具有至少10mm的厚度；在又另一態(tài)樣中，該片體可具有至少20mm的厚度。而且皆能考慮鉆石片的各種寬度，在一態(tài)樣中，該鉆石片可具有至少5mm的寬度；在另一態(tài)樣中，該鉆石片可具有至少10mm的寬度；在一態(tài)樣中，該鉆石片可具有至少50mm的寬度；在又另一態(tài)樣中，該鉆石片可具有至少100mm的寬度。除了寬度與厚度之外，能考慮各種鉆石片的長度，長度以線性測量(linearmeasurement)來定義是垂直于鉆石片的寬度。在一態(tài)樣中，該鉆石片可具有至少5mm的長度；在另一態(tài)樣中，該鉆石片可具有至少10mm的長度；在一態(tài)樣中，該鉆石片可具有至少50mm的長度；在又一態(tài)樣中，該鉆石片可具有至少100mm的長度。鉆石片無需是矩形或偶對稱狀也皆可考慮，但在此所述的長度與寬度的測量可對應于各種非矩形體的近似尺寸，該非矩形體例如但不限制在圓形、橢圓形、角錐型或不規(guī)則形的鉆石片或其他鉆石體。除此之外，該鉆石片能形成在一基材上，在一態(tài)樣中，該基材為暫時基材，而在該鉆石片或其他鉆石體形成后移除；在另一態(tài)樣中，該基材或其至少一部份是該鉆石片或其他鉆石體永久性的附加物。 如前所述，該實質(zhì)上單晶鉆石體可用于建構(gòu)各種鉆石半導體裝置。例如，在一態(tài)樣中是提供一半導體單晶鉆石裝置以包括如所述而制的實質(zhì)上單晶鉆石體、形成于該單晶鉆石體上的同質(zhì)磊晶單晶鉆石體層以及一設(shè)置于該同質(zhì)磊晶單晶鉆石體層內(nèi)的摻雜物以形成一半導體單晶鉆石層。圖7顯示具有一實質(zhì)上單晶鉆石體70的一鉆石半導體裝置的范例。在此態(tài)樣中，該實質(zhì)上單晶鉆石體70是由多個沿著其邊緣72熔融的立方鉆石片段所組成，以形成依單一結(jié)構(gòu)體。 一摻雜的同質(zhì)磊晶單晶鉆石體層74是沉積在該實質(zhì)上單晶鉆石體70上，以形成一鉆石半導體。 該同質(zhì)磊晶單晶鉆石體層可通過各種于所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者所熟知的方法沉積。在一態(tài)樣中，這種沉積可通過氣相沉積法完成?？墒褂萌魏我阎臍庀喑练e技術(shù)以形成該同質(zhì)磊晶單晶鉆石體層，或之后所述及的氮化硼(boron nitride)層。若要獲得相似的特性以及結(jié)果，雖然任何相似的方法皆能使用，但最常見的氣相沉積技術(shù)包括化學氣相沉積法(CVD)以及物理氣相沉積法(PVD)。在一態(tài)樣中，可使用CVD技術(shù)如熱絲氣相沉積法、微波電漿法、氧乙炔火焰法(oxyacetylene flame)、射頻化學氣相沉積法(rf-CVD)、激光化學氣相沉積法、金屬有機物化學氣相沉積法、激光脫落法、保形鉆石涂布方法、直接電弧法(direct current arc techniques)。通常CVD技術(shù)使用氣體反應劑以將鉆石或類鉆碳沉積成層狀結(jié)構(gòu)或膜狀結(jié)構(gòu)。這些氣體通常包括少量(即少于約5% )的含碳材料(如甲烷)，且以氫氣稀釋。于所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者熟知各種特定的CVD技術(shù)，包括設(shè)備以及條件，以及用于氮化硼層的條件。 在一特定態(tài)樣中，該鉆石層可為保形地(conformally)被沉積以有相當?shù)臐摿?potentially)增加該沉積法的同質(zhì)磊晶的性質(zhì)。保形鉆石涂布法能提供很多比既有鉆石薄膜法更多的優(yōu)點。 一生長表面能在鉆石生長情形下且無偏壓(bias)被前加工以形成一碳膜，該鉆石生長條件可為既有CVD沉積鉆石的條件但無施加偏壓，結(jié)果，所形成薄的碳膜能通常能少于約100埃(angstrom)，該前加工的步驟如實施在幾乎任何的生長溫度，如從約20(TC至約90(TC，雖然可能更佳的是低于約50(TC的較低的溫度。無結(jié)合任何特定的理論，該薄的碳膜是呈現(xiàn)以短的時間內(nèi)形成，如少于一小時，且是一氫終結(jié)(hydrogenterminated)的無定形碳。 該薄的碳膜形成后，該生長表面可接著在鉆石生長條件下形成該無晶鉆石層，該鉆石生長條件可為任何常用于傳統(tǒng)CVD鉆石生長的條件。然而，不像既有鉆石薄膜的生長，利用前述前處理步驟所形成的鉆石膜產(chǎn)生保形鉆石膜，其通常是開始生長于實質(zhì)上整個生長表面，且實質(zhì)上沒有孕育期，這種鉆石層生長的同時啟動可因此更減少形成在生長的鉆石層內(nèi)的巨大晶界以及晶格差排的可能性。 各種摻雜物可被引入該同質(zhì)磊晶單晶鉆石體層中以形成該半導體鉆石裝置。應該注意的是任何能夠促進該鉆石層中半導體性質(zhì)的摻雜物皆能被視為在本發(fā)明的范疇中，包括提供n型或P型的半導體性質(zhì)至該鉆石材料中的摻雜物。在一態(tài)樣中，摻雜物非限制性的范例可包括氮(N)、磷(P)、石申(As)、銻(Sb)、鉍(Bi)、硼(B)、鋁(Al)、鎵(Ga)、銦(In)及其組合物。然而，在一特定的范例中，該摻雜物可包括硼。在另一特定范例中，該摻雜物可包括氮。在又一特定范例中，該摻雜物可為磷。 各種摻雜該同質(zhì)磊晶單晶鉆石體層的方法皆能考慮，且可依照用于沉積該鉆石層的技術(shù)而有所不同。因此，任何這種引入一摻雜物至一鉆石材料的方法可視為在本發(fā)明的范疇中。例如，在一態(tài)樣中，該摻雜物可以特定量在氣體沉積時引入該腔體中。以此方法，特定比例的摻雜物被引入所形成的鉆石層的晶格中，這種摻雜技術(shù)是能視為在于所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者的知識范圍內(nèi)。 額外摻雜的層狀結(jié)構(gòu)可結(jié)合該摻雜的同質(zhì)磊晶單晶鉆石體層而建構(gòu)成特定的半導體裝置，這種額外的層狀結(jié)構(gòu)可包括鉆石和非鉆石半導體材料。在一些態(tài)樣中，這種特定的半導體裝置可為各種P-N結(jié)之一。例如，在一態(tài)樣中能使用立方氮化硼材料。因此，在例示于圖8的態(tài)樣中是提供一半導體裝置，其包括一如在此所述的實質(zhì)上單晶鉆石體70 ; —同質(zhì)磊晶單晶鉆石體層74是形成于該單晶鉆石體上；以及摻雜在該同質(zhì)磊晶單晶鉆石體層74的一硼或鋁的第一摻雜物，以形成一半導體單晶鉆石層。 一單晶立方氮化硼76沉積在鄰近于該同質(zhì)磊晶單晶鉆石體層74的位置，且一氮、磷或砷的第二摻雜物沉積在該單晶立方氮化硼76中，以形成一半導體單晶立方氮化硼層。在一特定態(tài)樣中，該第一摻雜物可為硼；在另一特定態(tài)樣中，該第二摻雜物可為氮。再者，如所述的，沉積在鄰近的位置可包括該層狀結(jié)構(gòu)是于另一層狀結(jié)構(gòu)的頂部、于另一層狀結(jié)構(gòu)的側(cè)邊、于另一層狀結(jié)構(gòu)之內(nèi)部等。除此之外，雖然該等層狀結(jié)構(gòu)是電耦合，它們可為物理接觸或可由一介電材料(dielectricmaterial,圖中未示)而分隔。因此，需要注意的是如圖8所示的該立方氮化硼層76的放置與該同質(zhì)磊晶單晶鉆石體層74的關(guān)聯(lián)僅是為了方便，不應視為是一限制。
當然，需要了解的是以上所述的排列皆僅是在描述本發(fā)明原則的應用，許多改變及不同的排列亦可以在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下被于本領(lǐng)域具通常知識者所設(shè)想出來，而權(quán)利要求也涵蓋上述的改變和排列。因此，盡管本發(fā)明被特定及詳述地描述呈上述最實用和最佳實施例，于本領(lǐng)域具通常知識者可在不偏離本發(fā)明的原則和觀點的情況下做許多如尺寸、材料、形狀、樣式、功能、操作方法、組裝和使用等變動。
1權(quán)利要求
一種制造半導體單晶鉆石體的方法，其特征在于，所述方法包括將多個鉆石片段在高壓且結(jié)合有熔融的催化劑以及一碳源的條件下設(shè)置于極接近的位置，且該鉆石片段是具有單晶方向性排列；多個鉆石片段接著保持在高壓下以及熔融的催化劑中直到該等鉆石片段相互連接，而使得鉆石與鉆石之間形成鍵結(jié)，以形成實質(zhì)上單晶的鉆石體；將一同質(zhì)磊晶單晶鉆石體層沉積于該單晶鉆石體上；引入一摻雜物至該同質(zhì)磊晶單晶鉆石體層中以形成一半導體單晶鉆石層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中該熔融的催化劑包括一金屬催化劑，其是選自于由鉻(Cr)、錳(Mn)、鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)及其組合物和合金所組成的群組。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中該熔融的催化劑包括一鐵鎳合金。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在高壓下放置于一熔融催化劑內(nèi)之前，該等鉆石片段是排列成一圖案。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中在高壓下放置于一熔融催化劑內(nèi)之前，該等鉆石片段是固定于一支撐基材。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中該等鉆石片段是以電鍍法固定于該支撐基材。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中該等鉆石片段是通過一化學氣相沉積鉆石薄膜的技術(shù)固定于該支撐基材。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中該碳源包括一選自于以下物質(zhì)所組成的群組石墨、鉆石、鉆石粉末、納米鉆石、微米鉆石及其組合物。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中該鉆石片段具有立方體形狀。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中該立方體形狀是非用后長晶法所獲得。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中引入一摻雜物是發(fā)生于該同質(zhì)磊晶單晶鉆石體層沉積時。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中該摻雜物是包括選自于由以下物質(zhì)所組成的群組氮(N)、磷(P)、砷(As)、銻(Sb)、鉍(Bi)、硼(B)、鋁(Al)、鎵(Ga)、銦(In)及其組合物。
13. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中該摻雜物為硼(B)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中該摻雜物為氮(N)。
15. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中該摻雜物為磷(P)。
16. —半導體單晶鉆石裝置，其特征在于，包括一以權(quán)利要求1所述的方法制成的實質(zhì)上單晶鉆石體；一形成于該單晶鉆石體上的同質(zhì)磊晶單晶鉆石體層；以及一設(shè)置于該同質(zhì)磊晶單晶鉆石體層內(nèi)的摻雜物以形成一半導體單晶鉆石層。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的裝置，其中該摻雜物是包括選自于由以下物質(zhì)所組成的群組氮(N)、磷(P)、砷(As)、銻(Sb)、鉍(Bi)、硼(B)、鋁(Al)、鎵(Ga)、銦(In)及其組合物。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的裝置，其中該摻雜物為硼(B)。
19. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的裝置，其中該摻雜物為氮(N)。
20. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的裝置，其中該摻雜物為磷(P)。
21. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的裝置，其中該單晶鉆石體是由具有立方體形狀的鉆石片段所形成。
22. —種半導體裝置，其特征在于，包括一以權(quán)利要求1所述的方法制成的實質(zhì)上單晶鉆石體；一形成于該單晶鉆石體上的同質(zhì)磊晶單晶鉆石體層；一設(shè)置于該同質(zhì)磊晶單晶鉆石體層內(nèi)的第一摻雜物以形成一半導體單晶鉆石層，該第一摻雜物為硼或鋁；一相鄰設(shè)置于該同質(zhì)磊晶單晶鉆石體層的單晶立方氮化硼層；以及一設(shè)置于該立方氮化硼層內(nèi)的第二摻雜物，以形成一半導體單晶立方氮化硼層，該第二摻雜物為氮、磷或砷。
23. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的裝置，其中該第一摻雜物為硼。
24. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的裝置，其中該第二摻雜物為氮。
全文摘要
本發(fā)明提供一種在拼圖式鉆石基板形成P-N結(jié)的方法。本發(fā)明提供制造以及使用半導體單晶鉆石體的方法，包括通過這種方法所制造的半導體鉆石體。在一態(tài)樣中，制造一半導體單晶鉆石體的方法包括將多個鉆石片段在高壓且結(jié)合有熔融的催化劑以及一碳源的條件下設(shè)置于極接近的位置，其中，該鉆石片段是排列為單晶的方向；多個鉆石片段接著保持在高壓下以及熔融的催化劑中直到該等鉆石片段相互連接而使得鉆石與鉆石之間形成鍵結(jié)，以形成實質(zhì)上單晶的鉆石體；于該單晶鉆石體形成后，一同質(zhì)磊晶(homoepitaxial)單晶鉆石體層是沉積于該單晶鉆石體上；一摻雜物可被引入該同質(zhì)磊晶單晶鉆石體層中以形成一半導體單晶鉆石層。
文檔編號B01J3/06GK101785980SQ20091000841
公開日2010年7月28日 申請日期2009年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月22日
發(fā)明者宋健民 申請人:宋健民