Способ получения алмазов с полупроводниковыми свойствами

Изобретение относится к области неорганической химии, а именно к получению синтетических алмазов, легированных бором, которые могут найти применение в электронной промышленности для изготовления полупроводниковых устройств. Способ включает разложение твердых карбонильных соединений платиновых металлов в газовой среде при повышенной температуре в герметичном контейнере с образованием алмазов и их легирование бором при температуре 150°С÷500°С в течение 2-5 часов в газовой среде, содержащей монооксид углерода СО и диборан B₂H₆ при весовом соотношении в газовой смеси бора к углероду, равном 1:100÷1000. Техническим результатом изобретения является получение монокристаллов алмаза с полупроводниковыми свойствами высокого качества. 1 табл., 5 пр.

 

Изобретение относится к области неорганической химии, а именно к получению синтетических алмазов, легированных бором и обладающих полупроводниковыми свойствами, которые могут найти применение в электронной промышленности для изготовления различных полупроводниковых устройств.

Удельное электросопротивление природных алмазов составляет величину 10¹¹-10¹⁴ Ом/см. Из них очень малая часть обладает полупроводниковыми свойствами, благодаря наличию в кристаллической решетке определенных примесей, в частности бора, который придает алмазу полупроводниковые свойства с п-типом проводимости с электросопротивлением 10⁶ Ом/см. Олофинский Н.Ф. «Электрические методы обогащения» М., «Недра», 1970 г., 549 стр.

Известны способы выращивания кристаллов синтетических алмазов на затравках в метастабильных условиях.

Ю.А.Литвин и Э.М.Никифорова - «Синтетические алмазы», 1973, №4, с.3-7. И.В.Бутузов, В.Лаптев и С.Дунин - ДАН СССР 1975, 20, с.177-720.

Также известны различные методы получения алмазов с полупроводниковыми свойствами, в том числе известен «Способ синтеза легированных алмазов», включающий воздействие на углеродсодержащий материал сверхвысокого давления при нагреве в области термодинамической стабильности алмаза, при этом предварительно углеродсодержащий материал смешивают и измельчают с 0,001-30 мас.% органического соединения, выбранного из группы: нафтиламин, дифениламин, аминотетразол, изопропенил-ортокарборан, ортокарборан, трифенилфосфин или трифениларсин, до порошка дисперсностью 0,01-1 мкм с содержанием легирующего элемента 0,001-1,5 ат. % по отношению к углероду смеси. Авт. св-во на изобретение №1345581, МПК: С01В 31/06, д. публ. 1985.02.11.

Известен «Способ получения искусственного алмаза», заключающийся в том, что на образец из графита и металла воздействуют давлением и нагревом путем пропускания импульса электрического тока по образцу. Заявка Японии № 62-57568, МПК: С01В 31/06, д. публ. 1987 г.

Известен «Способ синтеза алмаза», основанный на разложении карбида кремния в водной среде, при этом в водную среду вводят, по крайней мере, один растворимый хлорид магния, кальция, хрома или железа, и процесс разложения карбида кремния ведут в интервале температур 200-350°С, кроме того, в водную среду вводят дополнительно растворимые химические вещества, в состав которых входят легирующие алмаз примеси для придания ему полупроводниковых свойств. Патент РФ на изобретение №2181795, МПК: С30В 7/04; д. публ. 7.04.2002 г.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому в качестве изобретения техническому решению является «Способ синтеза алмазов», путем разложения твердых карбонилов платиновых металлов и их производных, при этом процесс производят при температуре 0-300°С и давлении 2-1500 мм рт. ст. в окислительной, восстановительной или нейтральной атмосфере. Патент РФ на изобретение № 2093462, МПК: С01В 31/06, д. публ. 1997.10.20.

Техническим результатом изобретения является повышение качества монокристаллов алмаза с полупроводниковыми свойствами путем образования алмазов и их легирования бором в газовой среде, содержащей монооксид углерода СО и диборан В₂Н₆.

Достижение указанного результата обеспечивается за счет того, что способ получения алмазов с полупроводниковыми свойствами осуществляют путем разложения твердых карбонильных соединений платиновых металлов. Процесс образования алмазов и их легирование бором проводят в герметичном контейнере при температуре 150°С÷500°С в течение 2-5 часов. Процесс осуществляют в газовой среде, содержащей монооксид углерода СО и диборан В₂H₆, при весовом соотношении в газовой смеси бора В к углероду С, равном 1:100-1000.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

Пример №1. Карбонильное соединение платиновых металлов Pt₇Pd₂(CO)₁₅ в количестве 2-х грамм помещают в стеклянную ампулу, которую затем заполняют газообразной смесью, содержащей монооксид углерода СО и диборан В₂Н₆ при соотношении масс. %, бор:углерод, равном 1:90. Ампулу запаивают и выдерживают при температуре 140°С-500°С в течение 1,5 часа.

После этого ампулу вскрывали и ее содержимое растворяли в царской водке (НNО₃+3НСl). В нерастворимом осадке оставались синтезированные зерна алмазов, легированных бором. Полученные алмазы исследовались с целью определения их полупроводниковых свойств.

Пример №2. Карбонильное соединение платиновых металлов Pt(СO)₂ в количестве 2-х грамм помещают в стеклянную ампулу, которую затем заполняют газообразной смесью, содержащей монооксид углерода СО и диборан В₂Н₆ при соотношении масс. % бор:углерод, равном 1:100. Ампулу запаивают и выдерживают при температуре 150°С в течение 2-х часов.

После этого ампулу вскрывали и ее содержимое растворяли в царской водке (HNO₃+3НСl). В нерастворимом осадке оставались синтезированные зерна алмазов, легированных бором. Полученные алмазы исследовались с целью определения их полупроводниковых свойств.

Пример №3. Карбонильное соединение платиновых металлов Pt₇Pd₂(CO)₁₅ в количестве 2-х грамм помещают в стеклянную ампулу, которую затем заполняют газообразной смесью, содержащей монооксид углерода СО и диборан В₂Н₆ при соотношении масс. %, бор:углерод, равном 1:500. Ампулу запаивают и выдерживают при температуре 300°С в течение 3,5 часов. После этого ампулу вскрывали и ее содержимое растворяли в царской водке (HNO₃+3НСl). В нерастворимом осадке оставались синтезированные зерна алмазов, легированных бором. Полученные алмазы исследовались с целью определения их полупроводниковых свойств.

Пример №4. Карбонильное соединение платиновых металлов Pt(СO)₂ в количестве 2-х грамм помещают в стеклянную ампулу, которую затем заполняют газообразной смесью, содержащей монооксид углерода СО и диборан В₂Н₆ при соотношении масс. % бор:углерод, равном 1:1000. Ампулу запаивают и выдерживают при температуре 500°С в течение 5 часов. После этого ампулу вскрывали и ее содержимое растворяли в царской водке (HNO₃+3НСl). В нерастворимом осадке оставались синтезированные зерна алмазов, легированных бором. Полученные алмазы исследовались с целью определения их полупроводниковых свойств.

Пример №5. Карбонильное соединение платиновых металлов Pt(СO)₂ в количестве 2-х грамм помещают в стеклянную ампулу, которую затем заполняют газообразной смесью, содержащей монооксид углерода СО и диборан В₂Н₆ при соотношении масс. % бор:углерод, равном 1:1100. Ампулу запаивают и выдерживают при температуре 550°С в течение 5,5 часов. После этого ампулу вскрывали и ее содержимое растворяли в царской водке (НNО₃+3НСl). В нерастворимом осадке оставались синтезированные зерна алмазов, легированных бором. Полученные алмазы исследовались с целью определения их полупроводниковых свойств. Примеры конкретной реализации способа и результаты исследований сведены в таблицу 1.

Предлагаемый в качестве изобретения «Способ получения алмазов» позволяет добиться получения высококачественных мокристаллов алмазов с оптимальными полупроводниковыми свойствами.

Таблица 1
№ п/п	Параметры синтеза	Соотношение бор:углерод в газовой смеси СО и B2H6	Концентрация дырок пp, см3	Элек. сопротивление Ом/см	Характер алмаза
t°C	Время, час
1	140	1,5	1:90	1,7 1014	106	не является полупроводником
2	150	2,0	1:100	1,3 1016	104	полупроводник
3	300	3,5	1:500	1,4 1018	102	полупроводник
4	500	5,0	1:1000	1,8 1017	103	полупроводник
5	550	5,5	1:1100	1,4 1015	106	не является полупроводником

Способ получения алмазов с полупроводниковыми свойствами путем разложения твердых карбонильных соединений платиновых металлов в газовой среде при повышенной температуре, отличающийся тем, что процесс образования алмазов и их легирование бором проводят в герметичном контейнере при температуре 150÷500°C в течение 2-5 ч в газовой среде, содержащей монооксид углерода СО и диборан В₂H₆ при весовом соотношении в газовой смеси бора В к углероду С, равном 1:100÷1000.