DE60217976T2

DE60217976T2 - Bordotierte diamant und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE60217976T2
Application number: DE60217976T
Authority: DE
Inventors: Geoffrey Alan Ascot SCARSBROOK; Philip Maurice Littlewick Green MARTINEAU; Daniel James Sunningdale TWITCHEN; Andrew John Camberley WHITEHEAD; Michael Andrew Wokingham COOPER; Bärbel Susanne Charlotte Bracknell DORN
Original assignee: Element Six Ltd
Current assignee: Element Six Ltd
Priority date: 2001-12-14
Filing date: 2002-12-13
Publication date: 2007-05-24
Anticipated expiration: 2022-12-14
Also published as: HK1076644A1; KR20040077674A; IL162354A0; CN1612955A; US7160617B2; JP2005512928A; DE60217976D1; IL162354A; JP2010222252A; EP1463849B1; WO2003052174A3; EP1780315B1; CA2469150A1; EP1780315A2; AU2002366413A1; ES2279897T3; EP1780315A3; RU2315826C2; ZA200404371B; KR100847969B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung bezieht sich auf dotierten Diamant und insbesondere auf dotierten Diamant, der durch chemisches Aufdampfen (chemical vapour deposition) hergestellt wird (im folgenden als CVD-Diamant bezeichnet).
Es gibt eine Reihe von Anwendungen von Diamant, für welchen eine dotierte Diamantschicht mit signifikanten Abmessungen, mit einer einheitlichen Konzentration des Dortierstoffs und den damit verbundenen elektronischen und/oder optischen Eigenschaften vorteilhaft sein würde. In Abhängigkeit von der genauen Anwendung, muss dieses Material im wesentlichen nachteilige elektronische oder optisch aktive Fallen oder Defekte ausschließen. Bis heute ist ein Material dieses Typs nicht erhältlich gewesen.
Anwendungen, wie zum Beispiel Hochleistungselektronik, benötigen massiven, freistehenden Diamant mit Dicken im Bereich von 50 bis 1000 μm und seitlichen Größen, die von 1 × 1 mm² bis 50 × 50 mm² variieren. Für eine Herstellung, die in einem konkurrierenden Markt lebensfähig ist, ist es vorteilhaft, dass der Diamant, der für diese Strukturen verwendet wird, als ein Massenmaterial gezüchtet und in die endgültigen Vorrichtungen verarbeitet wird. Zusätzlich ist eine Verarbeitung in der Größenordnung von Wafern mit größeren Teilen möglich, was die Herstellungskosten der Vorrichtung weiter verringert. Für optische Anwendungen, wie zum Beispiel Filter und Messvorrichtungen für absorbierte Energie, kann die grosse Größe und Dicke des Rohmaterials eine intrinsische Voraussetzung der Vorrichtung sein. Somit gibt es eine Reihe von Vorteilen für die Herstellung von dicken Schichten.
Bor ist der einzige bekannte Dotierstoff in Diamant, welcher ein wohl charakterisiertes Verhalten als relativ oberflächlicher Dotierstoff hat. Andere potentiell oberflächliche Dotierstoffe, von denen in der Literatur berichtet worden ist, das sie untersucht würden, umfassen S, P, O, Li, aber diese sind bisher noch nicht als verläßliche Volumen-Dotierstoffe verfügbar. Es gibt viele elektronische Anwendungen, welche dotierten Diamant benötigen, oft über relativ grosse Flächen und mit sehr einheitlichen Eigenschaften. Jedoch ist das Einarbeiten von Bor während der Synthese eine sehr sensible Eigenschaft des bestimmten Wachstumssektors. Polykristalliner Diamant enthält eine zufällige Auswahl von Wachstumssektoren, und obwohl die durchschnittliche Borkonzentration in einem Massstab einheitlich sein kann, der viel größer als die Korngröße ist, variiert die lokale Borkonzentration mit der gleichen Größenordnung wie die Korngröße beträchtlich von Punkt zu Punkt.
Dotierstoffe können in Diamant auch durch Behandlung nach der Züchtung hineingegeben werden. Die einzige zur Zeit verläßliche Behandlung nach der Züchtung, die auf Diamant anwendbar ist, ist Ionen-Einpflanzung, und diese stellt ein Verfahren zum Herstellen von geschichteten Diamantstrukturen bereit, aber nicht einheitliche Volumen-Dotierung. Zum Beispiel kann eine 'p-i'-(p-Typ – intrinsisch)-Struktur hergestellt werden, indem eine geeignete Dosis und Energie für Bor-Einpflanzung in einen natürlichen Hochqualitätsdiamanten vom Typ IIa verwendet wird. Unglücklicherweise wird immer eine Restbeschädigung (Leerstellen und Einlagerungsatome) unter den Bedingungen der Ionen-Einpflanzung erzeugt. Diese Beschädigung ist unmöglich vollständig zu entfernen, obwohl Ausheizbehandlungen sie verringern können. Die Beschädigung führt zu herabgesetzten Ladungsträgereigenschaften, die aus Defektstreuung und Kompensierung von Borakzeptoren resultieren.
Verfahren zum Ablagern oder Züchten von Material, wie zum Beispiel Diamant, auf einem Substrat durch chemisches Aufdampfen (chemical vapour deposition, CVD) sind heute wohl etabliert und sind ausführlich in der Patent- und anderen Literatur beschrieben worden. Haug et al. (Diamond and Related Materials, Bd. 5, Nr. 9, 1996, S. 947-951) lehren die homoepitaktische CVD-Züchtung von Bor-dotierten Diamantschichten mit einer Dicke von wenigen Mikrons. Wo Diamant durch CVD auf ein Substrat abgelagert wird, umfasst das Verfahren allgemein das Bereitstellen einer Gasmischung, welche bei Dissoziierung Wasserstoff oder ein Halogen (zum Beispiel F, Cl) in atomarer Form und C oder Kohlenstoff enthaltende Radikale und andere reaktive Spezies, zum Beispiel CH_x, CF_x, wobei x 1 bis 4 sein kann, bereitstellen kann. Zusätzlich können Sauerstoff enthaltende Quellen vorhanden sein, sowie Quellen für Stickstoff, und für Bor. In vielen Verfahren sind inerte Gase, wie zum Beispiel Helium, Neon oder Argon, auch vorhanden. Somit wird eine typische Quellengasmischung Kohlenwasserstoffe C_xH_y, wobei x und y jeweils 1 bis 10 sein können, oder halogenierte Kohlenwasserstoffe C_xH_yHal_z, wobei x und z jeweils 1 bis 10 sein können und y 0 bis 10 sein kann, und optional ein oder mehrere der folgenden enthalten: CO_x, wobei x 0,5 bis 2 sein kann, H₂ und ein Inertgas. Jedes Gas kann in seiner natürlichen Isotopenverhältnis vorhanden sein, oder die relativen Isotopenverhältnisse können künstlich eingestellt werden; zum Beispiel kann Wasserstoff als Deuterium oder Tritium vorhanden sein, und Kohlenstoff kann als ¹²C oder ¹³C vorhanden sein. Die Dissoziierung der Quellengasmischung wird durch eine Energiequelle herbeigeführt, wie zum Beispiel durch Mikrowellen, RF-(Radiofrequenz)-Energie, eine Flamme, einen heißen Glühfaden oder ein Strahl-basiertes Verfahren, und es wird zugelassen, dass die reaktiven Gasspezies, die so hergestellt werden, sich auf einem Substrat ablagern und Diamant bilden.
CVD-Diamant kann auf einer Vielzahl von Substraten hergestellt werden. In Abhängigkeit von der Natur des Substrats und von Details der Prozesschemie, kann polykristalliner oder einkristalliner CVD-Diamant hergestellt werden.
Das Erhalten von Einpflanzung von Bor in den Festkörper während der Ablagerung ist weniger schwierig als für viele andere potentielle Dotierstoffe. Das Einpflanzungsverhältnis für Bor, welches das Verhältnis der Konzentration des Dotierstoffs Bor (B) zu der von Kohlenstoff (C) in dem Festkörper ist ([B]/[C]:Festkörper), ist im Vergleich zu dem in dem Ablagerungsgas ([B]/[C]:Gas) allgemein etwa 1 (in dem {100} Wachstumssektor), obwohl es mit vielen Faktoren variiert. Es gibt viele Verfahren, durch welche CVD-Diamant während der Synthese mit Bor dotiert werden kann. Mit einem Mikrowellenplasma-, einem heißen Glühfaden- und Lichtbogen-Strahl-Verfahren kann Diboran (B₂H₆) oder ein anderes geeignetes Gas zu dem Gasstrom zugegeben werden, die hineinkommenden Gase können durch Methanol oder Aceton, das Boroxid (B₂O₃) enthält, geblasen werden oder ein Borstab kann in das Plasma eingeführt werden. Zur Züchtung durch das Verbrennungsflammenverfahren kann ein feiner Nebel aus Methanol, das Borsäure enthält, in den Gasstrom mit einem Zerstäuber eingespritzt werden. Diamantfilme sind auch ungewollt dotiert worden, wenn, zum Beispiel, das Plasma einen Substrathalter zersetzt hat, der aus hexagonalem Bornitrid hergestellt worden war.
Stickstoff kann auch in das Syntheseplasma in vielen Formen eingeführt werden. Typisch sind diese N₂, NH₃, Luft und N₂H₄.
Obwohl hochreiner, einkristalliner (single crystal, SC) CVD-Diamant eine wichtige Rolle in potentieller Hochleistungselektronik hat, würde die Anzahl der potentiellen Anwendungen wesentlich zunehmen, falls ein dotierter CVD-Diamant mit einheitlichen und vorteilhaften elektronischen Eigenschaften verfügbar wäre. Zusätzlich gibt es andere Anwendungen von Bor-dotiertem Diamant, wo Einheitlichkeit in der Farbe, Lumineszenz, oder andere Eigenschaften, die mit B-Dotierung verbunden sind, vorteilhaft sind.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Nach einem ersten Aspekt der Erfindung, wird, wie in Anspruch 1 ausgeführt, eine Schicht aus einkristallinem, Bor-dotiertem Diamant durch CVD hergestellt, wobei die gesamten Borkonzentration einheitlich ist, mit einer Abweichung über das Mehrheitsvolumen, welche geringer als 50% ist, und vorzugsweise geringer als 20%, gemessen mit einer seitlichen Auflösung an jedem Messungspunkt von weniger als 50 μm, und vorzugsweise mit einer seitlichen Auflösung an jedem Messungspunkt von weniger als 30 μm, und mit mindestens einer der Eigenschaften (i) und (ii):

(i) die Schichtdicke übersteigt 100 μm, und übersteigt vorzugsweise 500 μm, und
(ii) das Volumen der Schicht übersteigt 1 mm³, und übersteigt vorzugsweise 3 mm³, und übersteigt weiter bevorzugt 10 mm³, und übersteigt noch weiter bevorzugt 30 mm³.

Der Begriff "Mehrheitsvolumen", wie hierin und in den Ansprüchen verwendet, bezeichnet mindestens 70%, vorzugsweise mehr als 85%, und weiter bevorzugt mehr als 95%, des gesamten Volumens der Diamantschicht.
Die CVD einkristalline Bor-dotierte Diamantschicht der Erfindung kann auch Stickstoff als einen Dotierstoff enthalten. Die Diamantschicht wird allgemein eine Sickstoffkonzentration von nicht mehr als 1/5 von dieser der Borkonzentration enthalten, und vorzugsweise weniger als 1/50 von dieser der Borkonzentration.
Die Diamantschicht ist vorzugsweise von "hoher kristalliner Qualität". In diesem Zusammenhang ermöglicht "hohe kristalline Qualität" die Gegenwart der Boratome des Dotierstoffes und der Stickstoffatome und damit verbundener Punktdefekte, wie zum Beispiel diese, die Leerstellen umfassen, Wasserstoff und dergleichen.
Die einkristalline Bor-dotierte Diamantschicht kann auch eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften in dem Mehrheitsvolumen des Diamanten haben, wobei das Mehrheitsvolumen wie oben definiert wird:

(a) die Schicht enthält eine Konzentration an nicht kompensiertem Bor von größer als 1 × 10¹⁴ Atome/cm³ und von weniger als 1 × 10²⁰ Atome/cm³, vorzugsweise eine Konzentration an nicht kompensiertem Bor von größer als 1 × 10¹⁵ Atome/cm³ und von weniger als 2 × 10¹⁹ Atome/cm³, und weiter bevorzugt eine Konzentration an nicht kompensiertem Bor von größer als 5 × 10¹⁵ Atome/cm³ und von weniger als 2 × 10¹⁸ Atome/cm³,
(b) eine bei 300 K gemessene Löcherbeweglichkeit (μ_h), welche übersteigt μh = G × 2,1 × 1010/(Nh 0,52) wenn Nh 8 × 1015 Atome/cm3 nicht übersteigt (Gleichung (1) μh = G × 1 × 1018/Nh wenn Nh größer als 8 × 1015 Atome/cm3 ist (Gleichung (2) wobei N_h die Konzentration an Löchern ist (oder äquivalent die Konzentration der ionisierten Borakzeptoren), die funktionelle Beziehung zwischen μ_h und N_h auf allgemeinen Modellen basiert wird und der Wert G die Zunahme über die besten Werte von μ_h bezeichnet, die gegenwärtig berichtet werden. G hat einen Wert von größer als 1,1, und vorzugsweise einen Wert von größer als 1,4, und weiter bevorzugt einen Wert von größer als 1,7, und noch weiter bevorzugt einen Wert von größer als 2,0.
(c) Niedrige oder fehlende Lumineszenzmerkmale bei 575 und 637 nm, die sich auf Stickstoff-Leerstellen-(N-V, nitrogen-vacancy)-Zentren beziehen. Insbesondere beträgt das Verhältnis der integrierten Intensitäten der Null-Phononen-Linien des Stickstoff-Leerstellen-Zentrums bei 575 und 637 nm Zentrum weniger als 1/50, und vorzugsweise weniger als 1/100, und weiter bevorzugt weniger als 1/300 der integrierten Intensität der Diamant-Raman-Linie bei 1332 cm^–1, wenn bei 77 K mit einer 514 nm Ar-Ionen-Laser-Anregung gemessen wird.
(d) Eine Raman-Linienbreite, wie bei 300 K gemessen, von weniger als 4 cm^–1 FWHW (full width at half maximum height, volle Breite bei halber maximaler Höhe) und vorzugsweise von weniger als 3 cm^–1 und weiter bevorzugt von weniger als 2,5 cm^–1, unter 514 nm Ar-Ionen-Anregung.
(e) Ein hoher Grad an Einheitlichkeit bezüglich der Konzentration an nicht kompensiertem Bor, wie durch FTIR unter Verwendung des unten beschriebenen Verfahrens gemessen. Insbesondere muss die Frequenzverteilung der nicht kompensierten Bormessungen, die durch FTIR über eine repräsentative Probe, die aus der Schicht entnommen wird, aufgenommen werden, derartig sein, dass 90% der Messungen um weniger als 50% abweichen, und vorzugsweise um weniger als 30%, ausgedrückt als ein Prozentwert des Mittels.
(f) Eine einheitliche Emission des gebundenen Excitons (bound exciton emission, BE) bei 238 nm, die konsistent mit der Konzentration an nicht kompensierten, stellvertretenden Boratomen in dem Festkörper ist, wobei die BE bei 77 K unter W-Anregung unter Verwendung des unten beschriebenen Verfahrens gemessen wird. Insbesondere muss die Frequenzverteilung der BE, die durch dieses Verfahren über irgendeine repräsentative Oberfläche der Schicht oder Probe, die aus der Schicht entnommen wird, aufgenommen wird, derartig sein, dass 90% der Messungen um weniger als 50% abweichen, und vorzugsweise um weniger als 30%, ausgedrückt als ein Prozentwert des Mittels.
(g) Eine starke Intensität des freien Excitons (free exciton, FE), gemessen bei 77 K unter UV-Anregung, mit einem hohen Grad der Einheitlichkeit, die unter Verwendung des unten angegebenen Verfahrens gemessen wird. Insbesondere muss die Frequenzverteilung der FE-Messungen, die durch dieses Verfahren über irgendeine repräsentative Oberfläche der Schicht oder Probe, die der Schicht entnommen wird, aufgenommen wird, derartig sein, dass 90% der Messungen um weniger als 50% abweichen, und vorzugsweise um weniger als 30%, ausgedrückt als ein Prozentwert des Mittels.

Die hohe Beweglichkeit, die in dem CVD-Diamant der Erfindung gefunden wird, ist überraschend. Das gegenwärtige Modell für die Abweichung der Beweglichkeit in Abhängigkeit von der Konzentration an Trägern (oder ionisierten Akzeptoren) basiert in dem Bereich, in dem die Trägerkonzentration größer als 8 × 10¹⁵ Atome/cm³ ist, auf der Annahme, dass die Akzeptor-Boratome der dominierende Streumechanismus sind, und dass ihr Beitrag im wesentlichen intrinsisch zu ihrer Gegenwart ist. Folglich schlägt dieses Modell vor, dass Werte, die höher als dieser sind, nicht erreicht werden können. Im Gegensatz dazu zeigen die Ergebnisse der hier beschriebenen Arbeit, dass das Modell darin falsch ist, dass andere Faktoren, welche nicht entfernt werden können, bisher die Beweglichkeit in dotiertem Diamant, der in der Literatur berichtet wurde, beschränkt haben.
Die einkristalline, Bor-dotierte CVD-Diamantschicht der Erfindung kann freistehend sein oder eine Schicht oder einen Bereich auf einem größeren Diamantkörper oder Schicht bilden. Diese größere Diamantschicht oder Körper kann einkristalliner oder polykristalliner Diamant sein, der durch CVD oder ein anderes synthetisches Verfahren hergestellt wird. Diese größere Diamantschicht oder dieser größere Diamantkörper kann mit Bor, Stickstoff oder anderen Elementen dotiert sein.
Die Diamantschicht oder der Körper der Erfindung kann die Form eines Edelsteins annehmen.
Nach einem anderen Aspekt der Erfindung, wird, wie in Anspruch 36 ausgeführt, ein Verfahren zum Herstellen einer Schicht aus Bor-dotiertem, einkristallinem CVD-Diamant bereitgestellt. Dieses Verfahren umfasst die Schritte des Bereitstellens eines Diamantsubstrates, das eine Oberfläche hat, welche im wesentlichen derartig frei von Kristalldefekten ist, dass eine enthüllende Plasma-Ätzung eine Dichte von Oberflächenätzeigenschaften, die mit Defekten verbunden sind, unter 5 × 10³/mm² enthüllen würde, Bereitstellen eines Quellengases, wobei ein solches Gas eine Quelle von Bor umfasst, Dissoziieren des Quellengases und Zulassen von homoepitaktischem Diamantwachstum auf der Oberfläche, welche im wesentlichen frei von Kristalldefekten ist, wodurch eine Schicht aus einkristallinem, Bor-dotiertem Diamant, vorzugsweise von dem oben beschriebenen Typ, hergestellt wird. Wesentlich für dieses Verfahren ist, dass das Diamantwachstum auf einer Diamantoberfläche erfolgt, die im wesentlichen frei von Kristalldefekten ist.
Das Verfahren der Erfindung kann zusätzlich die Verwendung von kontrollierten Stickstoffzugaben zu dem Quellengas umfassen. Der Stickstoff in dem Quellengas stellt ein zusätzliches Mittel der Kontrolle der Morphologie, die von dem wachsenden Einkristall entwickelt wird, bereit und das Aufnahmeverhältnis für Stickstoff ist wesentlich niedriger als das für Bor. Somit beeinflussen Stickstoffzugaben, berechnet als molekularer Stickstoff, in dem Bereich von größer als 0,5 ppm und von weniger als 10000 ppm, und vorzugsweise in dem Bereich von größer als 1 ppm und von weniger als 1000 ppm, und weiter bevorzugt in dem Bereich von größer als 3 ppm und von weniger als 200 ppm, die elektronischen Eigenschaften der Bor-dotierten Schicht nicht nachteilig, da das dotierte Material gewollt Bor als ein Streuzentrum vorhanden hat, aber die Größe des {100} Wachstumssektors vergrößert und die Größe von im Wettbewerb stehenden Wachstumssektoren, wie zum Beispiel den {111}, verringert. Dies bedeutet für das Wachstum einer {100} Platte, dass die Zugabe von Stickstoff dem Wachstum ermöglicht, im wesentlichen im {100} Wachstumssektor zu bleiben. Fachleute werden erkennen, dass die Stufe, Stickstoff zu verwenden, um die Morphologie zu modifizieren, und die Stufe, die einheitlich Bor-dotierte Schicht zu züchten, getrennt oder aufeinander folgend sein können.
Der einheitlich Bor-dotierte Diamant der Erfindung ermöglicht somit einen weiten Bereich von Anwendungen in Gebieten, wie zum Beispiel Elektronik, Detektoren, Hochleistungs-Elektronik etc. Zusätzlich gibt es andere Anwendungen, wo die Einheitlichkeit bezüglich der Farbe, Lumineszenz, oder anderer Eigenschaften, die mit der einheitlichen Bor-Dotierung verbunden sind, vorteilhaft ist. Zum Beispiel kann in bestimmten Anwendungen, wie zum Beispiel Schneidklingen, Bor verwendet werden, um den Diamant zu färben, und so eine visuelle Kontrolle zu verbessern, und Einheitlichkeit bezüglich der Farbe kann als ein Faktor wahrgenommen werden, der Qualität anzeigt. Alternativ kann der Diamant in dekorativen Anwendungen verwendet werden, wie zum Beispiel als polierte Edelsteine, wo Einheitlichkeit bezüglich der Farbe wiederum allgemein als ein Qualitätsfaktor wahrgenommen wird.
Für die verschiedenen Anwendungen, die oben erwähnt werden, kann die Diamantschicht oder der Körper als solches verwendet werden oder sie bzw. er kann durchtrennt werden, zum Beispiel durch Schneiden, um zwei oder mehrere und allgemein eine grosse Anzahl von kleineren Stücken oder Elementen herzustellen, welche Verwendung in einer oder mehreren der oben beschriebenen Anwendungen finden werden. Die Gestalt und Größe des Stücks oder Elements wird durch die Anwendung vorgeschrieben werden.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Zusätzlich zu den oben beschriebenen Eigenschaften kann die Schicht aus einkristallinem, Bor-dotiertem CVD-Diamant der Erfindung eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften in dem Mehrheitsvolumen der Diamantschicht haben, wobei das Mehrheitsvolumen wie oben definiert wird:

1. Ein Grad irgendeiner einzelnen Verunreinigung: Si, P, S, Ni, Co, Al, Mn, Fe von nicht größer als 1 ppm und ein Gesamtgehalt dieser Verunreinigungen von nicht größer als 5 ppm. Vorzugsweise ist der Grad von irgendeiner dieser Verunreinigungen, die von B und N verschieden sind, nicht größer als 0,05 bis 0,5 ppm und der Gesamtgehalt dieser Verunreinigungen ist nicht größer als 0,5 bis 2 ppm.
Ein Kathodenlumineszenz-(cathodoluminescence, CL)-Emissionssignal in der 575 nm Bande, welches niedrig oder nicht vorhanden ist, und eine damit verbundene Photolumineszenz-(PL)-Linie, gemessen bei 77 K unter 514 Ar-Ionenlaser-Anregung (einfallender Strahl von nominell 300 mW), welche eine integrierte Peakfläche von weniger als 1/50 und vorzugsweise von weniger als 1/100 und weiter bevorzugt von weniger als 1/300 der integrierten Peakfläche des Diamant-Ramanpeaks bei 1332 cm^–1 hat.
3. In paramagnetischer Elektronenspinresonanz (electron spin paramagnetic resonance, EPR) ein neutrales, einzelnes, stellvertretendes Stickstoffzentrum (N-C]° mit einer Konzentration von weniger als 40 ppb und typischer von weniger als 10 ppb.
4. In EPR eine Spindichte von weniger als 1 × 10¹⁷ cm^–3 und typischer von weniger als 5 × 10¹⁸ cm^–3 bei g = 2,0028. In einkristallinem Diamant ist diese Linie bei g = 2,0028 mit Gitter-Defekt-Konzentrationen verbunden und ist typisch gross in natürlichem Diamant vom Typ IIa, in CVD-Diamant, der durch Einschnitt plastisch deformiert ist, und in homoepitaktischem Diamant von schlechter Qualität.
5. Ausgezeichnete optische Eigenschaften mit einer UV/sichtbaren und IR (Infraroten) Transparenz, die nahe zu dem theoretischen Maximum für Diamant vom Typ IIb ist, und insbesondere niedrige oder nicht vorhandene Absorption von einzelnem, stellvertretendem Stickstoff bei 270 nm im UV (Ultraviolett) und niedrige oder nicht vorhandene C-H-Streckungsbanden im spektralen Bereich von 2500 bis 3100 cm^–1 Wellenzahlen im IR. Das Absorptionsspektrum von halbleitendem, Bor-dotiertem Diamant wird durch eine kontinuierliche Absorption gekennzeichnet, die bei etwa 370 meV im Spektralbereich des nahen Infrarot beginnt und sich in den sichtbaren Bereich bis etwa 2,2 eV erstreckt. Diese Absorption ist für die charakteristische blaue Farbe verantwortlich (blass Blau für Konzentrationen ~5 × 10¹⁵ cm^–3 und sehr dunkel Blau bis Schwarz für ~5 × 10¹⁹ cm^–3). Drei prominente Banden bei 304, 348 und 363 meV werden bei Energien unter der Schwelle des Kontinuums beobachtet, welche, falls bei niedrigen Temperaturen mit hoher Auflösung gemessen, eine beträchtliche Menge an Feinstruktur zeigen.
6. Topographische Röntgen-Karten, die Merkmale zeigen, die mit Wachstum verbunden sind, wo <100> Kanten des ursprünglichen Substrats ausgewachsen werden, um <110> Kanten zu bilden.

Da die Konzentration des potentiell kompensierenden Stickstoffs im wesentlichen niedriger ist als diese des Bors, ist Einheitlichkeit bezüglich der Verteilung von nicht kompensiertem Bor allgemein ein Anzeichen von Einheitlichkeit bezüglich der gesamten Borkonzentration.
Zusätzlich sind die elektronischen Eigenschaften eher hauptsächlich abhängig von der Konzentration an nicht kompensiertem Bor, als von der gesamten Borkonzentration. Somit ist die Einheitlichkeit bezüglich des nicht kompensierten Bors ein wichtiger Parameter.
Diamant, der nicht kompensiertes Bor enthält, zeigt ein charakteristisches Ein-Phononen-Absorptionsmerkmal mit einem Maximum bei 1282 cm^–1 (159 meV). Es ist gefunden worden, dass es eine lineare Beziehung zwischen der Konzentration von nicht kompensiertem Bor und dem Beitrag dieser Bande zu dem Absorptionskoeffizienten bei 1282 cm^–1 gibt. Die Konzentration an Bor beträgt in ppm 1,2 × (Absorptionskoeffizient bei 1282 cm^–1), wenn die Messung bei Raumtemperatur durchgeführt wird.
Diamant, der nicht kompensiertes Bor enthält, zeigt auch eine charakteristische Absorption bei 2457 cm^–1 (304,5 meV), die durch Subtrahieren der intrinsischen Zwei-Phononen-Absorption aufgedeckt werden kann. Wenn das Merkmal bei 1282 cm^–1 zu schwach ist, um verwendbar zu sein, kann die Konzentration an nicht kompensiertem Bor aus dem integrierten Absorptionskoeffizienten der Bande bei 2457 cm^–1 unter Verwendung der folgenden Beziehung abgeleitet werden: Konzentration an nicht kompensiertem Bor (ppm) = 0,00142 × integrierter Absorptionskoeffizient bei 2457 cm–1 (meV. cm–1)
Eine Volumenmessung der Einheitlichkeit der Konzentration des nicht kompensierten Bors in einer Diamantprobe mit parallelen Seiten kann unter Verwendung von FTIR-Absorptionsspektroskopie in der folgenden Weise durchgeführt werden. Eine representative Karte der Infrarot-Absorptionseigenschaften über die gesamte Probe wird aufgebaut, indem FTIR-Spektren bei Raumtemperatur mit einer Auflösung von 0,5 cm^–1 und einer Öffnungsgröße von 0,5 mm gesammelt werden, wobei die Karte ein Minimum von 20 Datenpunkten enthält. Eine der oben genannten Beziehungen wird dann auf Grundlage der aufgenommenen durchschnittlichen Messung ausgewählt und verwendet, um die Konzentration an nicht kompensiertem Bor für jede Position herzuleiten. Die Einheitlichkeit wird dann aus dem Frequenzplot der aufgenommenen Konzentrationsmessungen beurteilt, wobei der Prozentwert der Messungen, die weiter von dem Durchschnitt entfernt sind als der Grenzwert zu dem Abweichungssatz, bewertet wird.
Die Ultraviolett-Kathodenlumineszenz-Spektren (aufgenommen bei 77 K) von Bor-dotiertem Diamant von hoher Qualität zeigen eine starke Bor-gebundene Exciton-Emission bei 5,22 eV (237,5 nm) und eine freie Exciton-Emission bei 5,27 eV (235,2 nm). Für Diamant von hoher Qualität mit Borkonzentrationen bis zu ungefähr 1 ppm gibt es eine ungefähre Proportionalität zwischen dem Verhältnis der integrierten Intensitäten von diesen zwei Emissionen, die bei 77 K gemessen werden, und der Konzentration an nicht kompensiertem Bor. Diese wird durch die folgende Beziehung gegeben: [nicht kompensiertes Bor in ppm] = 1,86 × I(B-gebundene Exciton-Intensität)/(freie Exciton-Intensität).
Über einen weiten Bereich von Borkonzentrationen kann die Messung dieses Verhältnisses an unterschiedlichen Positionen über eine Probe verwendet werden, um die Einheitlichkeit der Eigenschaften des Diamanten in dem oberflächennahen Bereich zu beurteilen. Die Probe wird mit einer dünnen (5 nm), einheitlichen Schicht aus Gold beschichtet, um Ladungseffekte zu verhindern, bei 77 K in einem Raster-Elektronenmikroskop angebracht und ein MonoCL-System wird verwendet, um W-CL-Spektren mit einer Beschleunigungsspannung von 15 kV, einem Strom von 0,2 Mikroampere und einer Punktgröße von weniger als 10 μm × 10 μm aufzunehmen.
Von den W-CL-Eigenschaften einer Probe kann eine Karte angefertigt werden, indem Spektren an Positionen aufgenommen werden, die durch die sich schneidenden Punkte eines Gitters definiert werden, das in Abhängigkeit von der abzudeckenden Fläche aus zwei Sätzen von senkrechten Linien mit einem Abstand von 500 μm oder 1 mm gebildet wird, wobei Daten an einem Minimum von 30 Punkten aufgezeichnet werden. Die Einheitlichkeit wird dann aus dem Frequenzplot der aufgenommenen Konzentrationsmessungen beurteilt, wobei die gesamte Weite der Verteilung von 90% der Messungen, ausgedrückt als ein Prozentwert des Mittelwertes, bewertet wird. Dieses Verfahren wurde auf die gemessene Intensität der Emission des gebundenen Excitons und des freien Excitons angewendet, und auf das berechnete Verhältnis der zwei Intensitäten.
Wo es eine signifikante Abweichung bezüglich der abfangenden Defekte, die die Emission des gebundenen Excitons löschen, gibt, dann erhöhen diese die Abweichung, die bei der Emission des gebundenen Excitons beobachtet wird, außer wenn die Emission des gebundenen Excitons überall durch diese vollständig gelöscht wird.
Die Gegenwart eines starken freien Excitons zeigt die wesentliche Abwesenheit von Defekten, wie zum Beispiel Versetzungen und Verunreinigungen, an. Die Verbindung zwischen niedrigen Defekt- und Verunreinigungs-Dichten und einer hohen FE-Emission ist zuvor für individuelle Kristalle in polykristalliner CVD-Diamantsynthese berichtet worden. Bei höheren Bor-Niveaus, typisch größer als 20-25 ppm im Festkörper, wird die Emission des freien Excitons schließlich durch die hohe Dichte an Bor-Punktdefekten gelöscht und nicht aufgrund von kristallinen Defekten, wie zum Beispiel Versetzungen. Die Einheitlichkeit der Emission des freien Excitons ist ein gutes Mass für das Fehlen von lokalen hohen Dichten von Defekten.
SIMS-Analyse wurde typisch mit einem O₂ ⁺-Primärstrahl, mit einer Primärspannung von 10 kV, einem Strahlstrom von typisch 1 μA und einer räumlichen Auflösung von weniger als 50 μm durchgeführt. Das Anfertigen einer Karte wurde typisch vervollständigt, indem der Analysepunkt mit einem Schritt von 0,5 mm oder 1 mm schrittweise über die Fläche der Schicht geführt wurde, wobei von jeder Fläche typisch ein Minimum von 20 Punkten erhalten wurde, und weiter bevorzugt ein Minimum von 40 Punkten. Die Kalibrierung erfolgte durch Vergleich mit Einpflanzungsstandards. Die Daten aus der SIMS wurden analysiert, indem das Mittel des Datensatzes gefunden wurde, und dann der volle Bereich der Daten, ausgedrückt als ein Prozentwert des Mittels für die verschiedenen %-Fraktionen des Datensatzes, gefunden wurde, wobei die zwei entgegengesetzten Hauptflächen einer Schicht ungefähr gleiche Gewichtung gegeben wurde, um ein Volumen zu charakterisieren.
Die Reproduzierbarkeit der SIMS ist typisch in der Größenordnung von 3-5%, in Abhängigkeit von den Bedingungen, mit einer Nachweisgrenze um 2-5 × 10¹⁴ Atome/cm³.
Um ein Volumen des Materials zu charakterisieren, wurden typisch die zwei entgegengesetzten Oberflächen durch Anfertigen von SIMS- und BE/FE-Karten charakterisiert, und die Probe durch IR-Absorption durch die Dicke.
Die Auflösung des Messverfahrens (SEM-Analyse für BE, FE und Konzentration nicht kompensierten Bors, und SIMS-Analyse für gesamte Borkonzentration) ist relevant für die Typen der Abweichungen bezüglich der Borkonzentration, welche in Diamant beobachtet werden können. Zum Beispiel kann in polykristallinem Diamant mit einer typischen Korngröße von 100 μm ein 1 mm Analysenpunkt, der über die Probe gescannt wird, ausmitteln und somit nicht die wesentlichen Abweichungen der B-Konzentration beobachten, die zwischen einzelnen Körnern oder Wachstumssektoren gefunden wird. Indem eine Probe von 20 Datenpunkten oder mehr Datenpunkten mit einer Auflösung von 50 μm oder weniger aufgenommen wird, ist es möglich, zu zeigen, dass Abweichungen von einer derartig kleinen Größenordnung nicht vorhanden sind.
Es ist für die Herstellung der einheitlich Bor-dotierten einkristallinen Schicht aus CVD-Diamant wichtig, dass das Wachstum auf einer Diamantoberfläche erfolgt, welche im wesentlichen frei von Kristalldefekten ist. In diesem Zusammenhang bedeuten Defekte hauptsächlich Versetzungen und Mikro-Risse, aber umfassen auch Zwillingsgrenzflächen, Punktdefekte, Grenzflächen mit niedrigem Winkel und andere Störungen der Kristallstruktur. Vorzugsweise ist das Substrat ein natürlicher Diamant vom niedrig doppelbrechenden Typ Ia, oder ein synthetischer Hochdruck/Hochtemperatur-Diamant vom Typ Ib oder IIa oder ein CVD-synthetisierter, einkristalliner Diamant. Defekte können das Material in zwei Weisen herabsetzen, was die elektronischen Eigenschaften (zum Beispiel die Löcherbeweglichkeit) nachteilig beeinträchtigt und auch die lokale Aufnahme von Bor beeinflusst. Da Versetzungs-Multiplikation während des Wachstums von dicken Schichten auftritt, ist die Kontrolle der Versetzungen innerhalb des Substrats und früher Stufen des Wachstums besonders wichtig.
Die Defektdichte wird am leichtesten durch optische Begutachtung nach Verwendung einer Plasma- oder chemischen Ätzung, die optimiert ist, um die Defekte aufzudecken (als eine aufdeckende Plasma-Ätzung bezeichnet), bestimmt, zum Beispiel unter Verwendung einer kurzen Plasma-Ätzung von dem unten beschriebenen Typ. Zwei Typen von Defekten können aufgedeckt werden:

1) Diese, die intrinsisch für die Substratmaterialqualität sind. In ausgewähltem, natürlichem Diamant kann die Dichte dieser Defekte so niedrig wie 50/mm² sein, wobei typischere Werte 10²/mm² betragen, während sie in anderen 10⁶/mm² oder größer sein kann.
2) Diese, die aus Polieren resultieren, einschließlich Versetzungsstrukturen und Mikro-Risse, die Ratterspuren (chatter tracks) (manchmal als Klapperspuren (clatter tracks) bekannt) entlang von Polierlinien bilden. Die Dichte von diesen kann über eine Probe beträchtlich variieren, wobei typische Werte im Bereich von etwa 10²/mm² bis zu mehr als 10⁴/mm² in schlecht polierten Bereichen oder Proben liegen.

Die bevorzugte niedrige Dichte von Defekten ist derartig, dass die Dichte von Oberflächenätzungsmerkmalen, die mit Defekten verbunden sind, wie oben beschrieben, unter 5 × 10³/mm² beträgt, und weiter bevorzugt unter 10²/mm².
Das Defektniveau an und unter der Substratoberfläche, auf welche das CVD-Wachstum stattfindet, kann somit durch vorsichtige Vorbereitung des Substrats auf ein Minimum gebracht werden. Unter Vorbereitung wird hier jedes Verfahren umfasst, das auf das Material von einer Minenentnahme (im Fall von natürlichem Diamant) oder Synthese (im Fall von synthetischem Material) angewendet wird, da jede Stufe die Defektdichte innerhalb des Materials an der Fläche beeinflussen kann, welche am Ende die Substratoberfläche bildet, wenn die Präparation als ein Substrat vollständig ist. Besondere Verfahrensschritte können übliche Diamantverfahren, wie zum Beispiel mechanisches Sägen, Feinschleifen und Polieren (in dieser Anwendung besonders optimiert, um niedrige Defektniveaus zu ergeben) und weniger übliche Verfahren, wie zum Beispiel Laser-Verarbeiten oder Ionen-Einpflanzung und Abhebe-Verfahren, chemisches/mechanisches Polieren, und sowohl flüssige als auch Plasma-chemische Verfahren, umfassen. Zusätzlich sollte die Oberfläche RQ (quadratische Standardabweichung des Oberflächenprofils von der Ebene, die durch ein Taster-Oberflächenmessgerät (stylus profilometer) gemessen wird, vorzugsweise über eine Länge von 0,08 mm gemessen) auf ein Minimum gebracht werden, wobei typische Werte vor einer Plasma-Ätzung nicht mehr als einige wenige Nanometer betragen, das heißt weniger als 10 Nanometer.
Ein spezifisches Verfahren, um die Oberflächenbeschädigung des Substrates auf ein Minimum zu bringen, ist es, eine Plasma-Ätzung in situ auf der Oberfläche, auf welcher das homoepitaktische Diamantwachstum erfolgen soll, zu umfassen. Im Prinzip muss diese Ätzung weder in situ sein, noch unmittelbar vor dem Wachstumsprozess, aber der größte Nutzen wird erreicht, wenn sie in situ ist, weil dies jedes Risiko von weiterer physikalischer Beschädigung oder chemischer Kontaminierung vermeidet. Eine in situ Ätzung ist allgemein dann am bequemsten, wenn der Wachstumsprozess auch Plasmabasiert ist. Die Plasma-Ätzung kann ähnliche Bedingungen wie der Ablagerungs- oder Diamantenwachstumsprozess verwenden, aber mit der Abwesenheit von jeglichem Quellengas, das Kohlenstoff enthält, und allgemein bei einer leicht niedrigeren Temperatur, um eine bessere Kontrolle der Ätzgeschwindigkeit zu ergeben. Zum Beispiel kann sie aus einem oder mehr von den folgenden bestehen:

(i) eine Sauerstoff-Ätzung unter Verwendung von vorherrschend Wasserstoff mit einer optionalen Menge Argon und einer benötigten kleinen Menge O₂. Typische Sauerstoff-Ätzbedingungen sind Drücke von 50-450 × 10² Pa, ein Ätzgas, das einen Sauerstoffgehalt von 1 bis 4 Prozent, einen Argongehalt von 0 bis 30 Prozent und den Ausgleich Wasserstoff enthält, wobei alle Prozentwerte pro Volumen sind, mit einer Substrattemperatur von 600-1100°C (typischer 800°C) und einer typischen Dauer von 3-60 Minuten.
(ii) eine Wasserstoff-Ätzung, welche ähnlich zu (i) ist, aber wobei der Sauerstoff nicht vorhanden ist.
(iii) alternative Verfahren für die Ätzung, die nicht nur auf Argon, Wasserstoff und Sauerstoff basieren, können verwendet werden, zum Beispiel, diese, die Halogene, andere inerte Gase oder Stickstoff nutzen.

Typisch besteht die Ätzung aus einer Sauerstoff-Ätzung, gefolgt von einer Wasserstoff-Ätzung, und geht dann durch die Einführung des Kohlenstoffquellengases direkt in die Synthese über. Die Ätz-Zeit/Temperatur wird ausgewählt, um zu ermöglichen, dass von der Bearbeitung verbleibende Beschädigungen entfernt werden können, und dass jegliche Oberflächenverunreinigungen entfernt werden können, aber ohne dass eine hochgradig aufgerauhte Oberfläche gebildet wird und ohne dass umfassend entlang ausgedehnter Defekte, wie zum Beispiel Versetzungen, welche die Oberfläche schneiden, geätzt wird, und somit tiefe Gruben verursacht werden. Da die Ätzung aggressiv ist, ist es für diese Stufe besonders wichtig, dass das Design der Kammer und die Materialauswahl für ihre Komponenten derartig ist, dass kein Material durch das Plasma in die Gasphase oder auf die Substratoberfläche übertragen wird. Die Wasserstoff-Ätzung, die der Sauerstoffätzung folgt, ist weniger spezifisch für Kristalldefekte, was die Eckigkeiten, die durch die Sauerstoff-Ätzung verursacht werden, welche aggressiv derartige Defekte attackiert, abrundet und eine glattere, bessere Oberfläche für nachfolgendes Wachstum bereitstellt.
Die Oberfläche oder Oberflächen des Diamantsubstrates, auf welcher bzw. welchen das CVD-Diamantwachstum erfolgt, sind vorzugsweise die {100}, {110}, {113} oder {111} Oberflächen. Aufgrund von Bearbeitungs-Spannungen kann die tatsächliche Orientierung der Probenoberfläche von diesen idealen Orientierungen um bis zu 5° abweichen, und in einigen Fällen bis zu 10°, obwohl dies weniger wünschenswert ist, da es die Reproduzierbarkeit nachteilig beeinflusst.
Es ist auch wichtig bei dem Verfahren der Erfindung, dass der Gehalt an Verunreinigung der Umgebung, in welcher das CVD-Wachstum stattfindet, richtig kontrolliert wird. Genauer muss das Diamant-Wachstum in der Gegenwart einer Atmosphäre erfolgen, die im wesentlichen keine Verunreinigungen enthält, und dass die gewollt zugegebene Konzentration an Bor (und Stickstoff, falls verwendet) geeignet kontrolliert werden. Der Grad der Kontrolle, die für die Konzentrationen der Dotierstoffe Bor und Stickstoff benötigt wird, ist abhängig von der Anwendung, aber typisch muss er stabil zu besser als 20% sein und, typischer zu besser als 10%, und noch typischer zu besser 3%. Derartige Kontrolle benötigt vorsichtige Kontrolle der Stickstoffverunreinigungen in dem Quellengas, da Stickstoff eine übliche Verunreinigung ist. Um diesen Grad der Kontrolle zu erreichen, wird das Niveau an Stickstoff in dem Quellengas, vor der gewollten Stickstoffzugabe, allgemein bei weniger als 500 Teile pro Milliarde in der Gasphase (als eine molekulare Fraktion des gesamten Gasvolumens) gehalten, und vorzugsweise weniger als 300 Teile pro Milliarde, und weiter bevorzugt weniger als 100 Teile pro Milliarde. Die Messung von absoluten und relativen Stickstoff- (und Bor-) Konzentrationen in der Gasphase bei Konzentrationen, die so niedrig sind wie 100 ppb, benötigen hochentwickelte Überwachungsausrüstung, wie zum Beispiel diese, welche, zum Beispiel, durch Gaschromatographie erreicht werden kann. Ein Beispiel eines derartigen Verfahrens wird jetzt beschrieben: Standard-Gaschromatographie-(GC)-Kunst besteht aus: Ein Gasprobenstrom wird aus dem Punkt des Interesses unter Verwendung einer Probenlinie mit schmaler Bohrung, die für maximale Flussgeschwindigkeit und minimales Totvolumen optimiert ist, entnommen und durch die GC-Probenspule geleitet, bevor er in den Abfall weitergeleitet wird. Die GC-Probenspule ist ein Abschnitt einer Röhre, die mit einem festgestellten und bekannten Volumen (typisch 1 cm³ für Standard-Atmosphärendruck-Injection) aufgerollt ist, welche von ihrem Platz in der Probenlinie in die Trägergas(hochreines He)-Linie, die in die Gaschromatographiesäulen einleitet, geschaltet werden kann. Dies bringt eine Gasprobe mit bekanntem Volumen in den Gasfluss, der in die Säule eintritt; im Fachgebiet wird dieses Verfahren Proben-Injektion genannt.
Die injizierte Probe wird von dem Trägergas durch die erste GC-Säule (gefüllt mit einem Molekularsieb, das für die Trennung von einfachen anorganischen Gasen optimiert ist) getragen und wird teilweise getrennt, aber die hohe Konzentration der Hauptgase (zum Beispiel H₂, Ar) verursacht eine Sättigung der Säule, welche eine vollständige Trennung von, zum Beispiel, Stickstoff schwierig macht. Der relevante Abschnitt des Ausflusses der ersten Säule wird dann in den Zulauf einer zweiten Säule geschaltet, wodurch vermieden wird, dass der Hauptteil der anderen Gase in die zweite Säule geleitet wird, was Sättigung der Säule vermeidet und eine vollständige Trennung des Zielgases (N₂) ermöglicht. Dieses Verfahren wird "Herz-Schneiden" ("heart-cutting") genannt.
Der Ausgangsfluss der zweiten Säule wird durch einen Entladungs-Ionisierungs-Detektor (discharge ionisation detector, DID) geleitet, welcher die Zunahme in Verluststrom durch das, Trägergas detektiert, die durch die Gegenwart der Probe verursacht wird. Die chemische Identität wird durch die Aufenthaltszeit des Gases bestimmt, welche über Standardgasmischungen kalibriert wird. Die Antwort des DID ist über mehr als 5 Größenordnungen linear, und wird durch Verwendung von speziell hergestellten Gasmischungen, typisch im Bereich von 10-100 ppm, kalibriert, die durch gravimetrische Analyse hergestellt werden und dann durch den Hersteller überprüft werden. Die Linearität des DID kann durch vorsichtige Verdünnungsexperimente überprüft werden.
Die bekannte Kunst der Gaschromatographie ist für diese Anwendung wie folgt weiter modifiziert und entwickelt worden: Die hier zu analysierenden Verfahren werden typisch bei 50 – 500 × 10² Pa betrieben. Normaler GC-Betrieb verwendet den "Druck des Quellengases, der überschüssig über dem Atmosphärendruck ist, um das Gas durch die Probenlinie zu bewegen. Hier wird die Probe bewegt, indem eine Vakuumpumpe am Abfallende der Linie angebracht wird und die Probe bei einem Druck unter Atmosphärendruck durchgezogen wird. Jedoch kann, während das Gas fließt, der Scheinwiderstand der Linie einen signifikanten Druckabfall in der Linie verursachen, was die Kalibrierung und Empfindlichkeit beeinflusst. Als Folge wird zwischen der Probenspule und der Vakuumpumpe ein Ventil angebracht, welches für eine kurze Zeitspanne vor der Probeninjektion geschlossen wird, um zu ermöglichen, dass der Druck an der Probenspule sich stabilisiert und durch ein Druckmessgerät gemessen wird. Um sicherzustellen, dass eine ausreichende Menge des Probengases eingespritzt wird, wird das Volumen der Probenspule auf etwa 5 cm³ vergrößert. In Abhängigkeit von dem Design der Probenlinie kann dieses Verfahren wirksam bis zu Drücken von etwa 70 × 10² Pa hinab betrieben werden. Die Kalibrierung der GC ist abhängig von der Masse der eingespritzten Probe, und die größte Genauigkeit wird erhalten, indem die GC unter Verwendung des gleichen Probendruckes kalibriert wird, wie der, der von der zu analysierenden Quelle erhältlich ist. Sehr hohe Standards der Handhabungspraxis von Vakuum und Gas müssen beachtet werden, um sicherzustellen, dass die Messungen korrekt sind.
Der Punkt der Probennahme kann stromaufwärts von der Synthesekammer sein, um das hineinströmende Gas zu charakterisieren, innnerhalb der Kammer, um die Kammerumgebung zu charakterisieren, oder stromabwärts von der Kammer.
Typisch wurde B zu dem Verfahren als B₂H₆ unter Verwendung einer kalibrierten Quelle von nominell 100 ppm B₂H₆ in H₂ zugegeben, um die Kontrolle zu vereinfachen, und ebenso wurde der Stickstoff zu dem Verfahren als N₂ unter Verwendung einer kalibrierten Quelle von nominell 100 ppm N₂ in H₂ zugegeben, um die Kontrolle zu vereinfachen. Zugaben von sowohl B als auch N werden als ppm ausgedrückt, berechnet für B als [B₂H₆]/[Alle Gase], wobei [B₂H₆] die Anzahl der Mole von B₂H₆ bezeichnet und [Alle Gase] die Anzahl der Mole von allen vorhandenen Gasen bezeichnet, und ebenso als [N₂]/[Alle Gase] für N₂.
Die Gasmischung, die in dem Syntheseverfahren verwendet wird, kann jedes im Fachgebiet bekannte Gas enthalten und wird ein Kohlenstoff enthaltendes Material enthalten, welches unter Erzeugung von Radikalen oder anderen reaktiven Spezies dissoziiert. Die Gasmischung wird allgemein auch Gase enthalten, die geeignet sind, Wasserstoff oder ein Halogen in atomarer Form bereitzustellen.
Die Dissoziierung des Quellengases wird vorzugsweise unter Verwendung von Mikrowellenenergie in einem Reaktor durchgeführt, von welchem Beispiele im Fachgebiet bekannt sind. Jedoch sollte der Transfer jeglicher Verunreinigungen aus dem Reaktor auf ein Minimum gebracht werden. Ein Mikrowellensystem kann verwendet werden, um sicherzustellen, dass das Plasme entfernt von allen Oberflächen plaziert wird, mit Ausnahme von der Substratoberfläche, auf welcher das Diamantwachstum erfolgen soll, und ihrer Befestigung, dem Substratträger. Beispiele von bevorzugten Materialien für die Befestigung sind: Molybdän, Wolfram, Silizium und Siliziumcarbid. Beispiele von bevorzugten Materialien für die Reaktorkammer sind rostfreier Stahl, Aluminium, Kupfer, Gold, Platin.
Ein Plasma mit hoher Leistungsdichte sollte verwendet werden, welches aus hoher Mikrowellenleistung (Typisch 1-60 kW für Durchmesser des Substratträgers von 25-300 mm) und hohen Gasdrücken (50-500 × 10² Pa, und vorzugsweise 100-450 × 10² Pa) resultiert.
Unter Verwendung der oben genannten Bedingungen ist es möglich gewesen, dicke, Bor-dotierte, einkristalline CVD-Diamantschichten von hoher Qualität mit Ladungsträgern von ungewöhnlich hoher Beweglichkeit und mit einer für die Herstellung von einheitlichen grossen Volumen, die für kommerzielle Produkte geeignet sind, optimierten Morphologie herzustellen.
Einige Beispiele der Erfindung werden jetzt beschrieben werden.
BEISPIEL 1
Substrate, die zum Synthetisieren von einkristallinem CVD-Diamant der Erfindung geeignet sind, können wie folgt hergestellt werden:

(i) Auswahl von Grundstoffmaterial (Ia natürliche Steine und Ib HPHT-Steine) wurde auf der Basis von mikroskopischer Untersuchung und Doppelbrechungsabbildung optimiert, um Substrate zu identifizieren, die frei von Spannung und Mängeln waren.
(ii) Laser-Sägen, Feinschleifen und Polieren, um Oberflächendefekte auf ein Minimum zu bringen, unter Verwendung eines Verfahrens einer aufdeckenden Plasma-Ätzung, um die Defektniveaus, die durch das Bearbeiten eingeführt wurden, zu bestimmen.
(iii) Nach der Optimierung war es möglich, routinemäßig Substrate herzustellen, die eine oder mehrere Oberflächen besitzen, in welchen die Dichte an Defekten, die nach einer aufdeckenden Ätzung messbar sind, hauptsächlich von der Materialqualität abhängig ist und unter 5 × 10³/mm² ist, und allgemein unter 10²/mm². Substrate, die durch dieses Verfahren hergestellt werden, swerden dann für die nachfolgende Synthese verwendet.

Ein synthetischer 1b Hochtemperatur/Hochdruck-Diamant wurde in einer Hochdruckpresse, und als ein Substrat unter Verwendung des oben beschriebenen Verfahrens, um Substratdefekte auf ein Minimum zu bringen, gezüchtet, um eine polierte Fläche von 7,65 × 8,25 mm² mit einer Dicke von 0,54 mm zu bilden, mit allen Flächen {100}. Die Oberflächenrauhigkeit R_Q betrug in dieser Stufe weniger als 1 nm. Das Substrat wurde unter Verwendung von einem Hochtemperatur-Diamantlot auf einem Substratträger aus Wolfram befestigt. Dieser wurde in einen Reaktor eingeführt und ein Ätzungs- und Wachstumszyklus wurde begonnen, wie oben beschrieben, und genauer:

1) Der 2,45 GHz Mikrowellenreaktor wurde zuvor mit Verwendungsstellen-Reinigern ausgerüstet, wodurch ungewollte Verunreinigungsspezies im einströmenden Gasstrom auf unter 80 ppb verringert werden.
2) Eine in situ Sauerstoff-Plasma-Ätzung wurde unter Verwendung von 15/75/600 sccm (standard cubic centimetre per minute; Standard-Kubikzentimeter pro Minute) von O₂/Ar/H₂ bei 270 × 10² Pa und einer Substrattemperatur von 753°C für eine Dauer von 10 Minuten durchgeführt.
3) Dies wurde ohne Unterbrechung durch die Entfernung von Sauerstoff aus dem Gasfluss in eine Wasserstoff-Ätzung übergeleitet, bei einer Temperatur von 758°C für eine Dauer von 10 Minuten. 4) Dies wurde durch die Zugabe der Kohlenstoffquelle (in diesem Fall CH₄) und Dotierstoffgase in den Wachstumsprozess übergeleitet. Der CH₄-Fluss war bei 30 sccm. B₂H₆ wurde als die Quelle des Bor-Dotierstoffes verwendet. Die Gasphasenkonzentration an B₂H₆ betrug 1,4 ppm. Die Temperatur betrug 780°C.
4) Nach Beendigung der Wachstumsperiode wurde das Substrat aus dem Reaktor entfernt und die CVD-Diamantschicht, die auf einer Oberfläche mit niedriger Defektdichte, wie oben beschrieben, gewachsen war, wurde von dem Substrat entfernt.
5) Diese Schicht wurde dann flach poliert, um eine einheitlich dotierte, 735 μm dicke Schicht mit <100> Kanten und seitlichen Abmessungen von etwa 5 × 5 mm² herzustellen.
6) Diese Schicht, die als CD-1 identifiziert wird, wurde gereinigt und mit Sauerstoff zu einer durch 0₂ terminierten Oberfläche verascht und für ihre Beweglichkeit unter Verwendung des Hall-Verfahrens getestet. Es wurde gefunden, dass diese 360 cm²/Vs bei 300 K betrug, und 185 cm²/Vs bei 440 K. Diese Daten sind mit einer Abhängigkeit von T^–3/2 im Einklang, die durch ein Modell der akustischen Phononenstreuung vorausgesagt wird.
7) Die Schicht wurde unter Verwendung von SIMS analysiert und es wurde gemessen, dass sie eine einheitliche Gesamt-B-Konzentration von 6,2 × 10¹⁸ Atome/cm³ besitzt.
8) Die Trägerkonzentration wurde unter Verwendung des Hall-Verfahrens gemessen und es wurde gefunden, dass sie 4, 5 × 10¹³ bei 200 K, 4 × 10¹⁵ bei 300 K, und 1, 6 × 10¹⁷ bei 500 K beträgt. Basierend auf einer Trägerkonzentration von 4 × 10¹⁵ bei 300 K würde Gleichung (1), die die oberen Grenzen des berichteten Materials angibt, eine Beweglichkeit von 163 cm²/Vs vorhersagen, verglichen mit dem gemessenen Wert von 360 cm²/Vs. Somit zeigte G, der Faktor (der in Gleichung 1 oben definiert wird), eine Verbesserung oder einen Gewinn über Materialien des Standes der Technik von größer als 2,2.

BEISPIEL 2
Das in Beispiel 1 bestimmte Verfahren wurde mit der folgenden Veränderung der Bedingungen wiederholt:

1) Die polierte HPHT-Substratfläche betrug 5 × 5 mm im Quadrat mit einer Dicke von 500 μm, mit allen Flächen {100}.
2) Die in situ Sauerstoff-Plasma-Ätzung wurde unter Verwendung von 15/75/600 sccm O₂/Ar/H₂ bei 333 × 10² Pa und einer Substrattemperatur von 800°C für eine Dauer von 30 Minuten durchgeführt.
3) Dies wurde von 30 Minuten Wasserstoff-Ätzung gefolgt, bei welcher das O₂ aus dem Verfahrensstrom entfernt wurde und eine Temperatur von 810°C aufgezeichnet wurde.
4) Der Wachstumsprozess wurde durch die Zugabe von CH₄, das mit 36 sccm floss, und B₂H₆- und N₂-Flüssen, um Gasphasenkonzentrationen von 0,05 bzw. 7 ppm zu ergeben, initiiert. Die Temperatur betrug 812°C.
5) Nach Beendigung der Wachstumsperiode wurde das Substrat aus dem Reaktor entfernt und die CVD-Diamantschicht wurde von dem Substrat entfernt.
6) Diese Schicht, die als CD-2 identifiziert wird, wurde dann flach poliert, um eine 410 μm dicke Schicht mit <110> Kanten und seitlichen Abmessungen von 7 × 7 mm² herzustellen.
7) Die Schicht wurde unter Verwendung von SIMS analysiert und eine Serie von Messungen zeigte, dass die Schicht eine einheitliche Borkonzentration von 6,1 × 10¹⁶ Atome/cm³ hatte. Anfertigen einer SIMS-Karte der B-Konzentration zeigte keine Abweichung bezüglich der Konzentration innerhalb der Auflösung der Aufzeichnungsfähigkeit, welche eine seitliche räumliche Auflösung von weniger als 30 mm und eine Empfindlichkeit bei dem Niveau der Messung von besser als 10% hatte. Es wurde gemessen, dass die Stickstoffkonzentration weniger als 5 × 10¹⁵ Atome/cm³ betrug.
8) Diese Schicht CD2 wurde gereinigt und mit Sauerstoff zu einer durch O₂ terminierten Oberfläche verascht und für ihre Beweglichkeit und Trägerkonzentration getestet. Es wurde gemessen, dass die Trägerkonzentration 4,5 × 10¹³ übersteigt, und es wurde gemessen, dass die Beweglichkeit 2,5 × 10³ cm²/Vs übersteigt, was einen Wert für G von etwa 1,5 ergibt.
9) CD-2 wurde weiter durch die unten bereitgestellten Daten charakterisiert:
(i) Die CL-Spektren zeigen freie und gebundene Excitonen und keine anderen Merkmale
(ii) EPR-Spektren, zeigten keinen neutralen, substituierten Stickstoff und nur eine schwache Linie bei g = 2,0028
(iii) Optische Spektren zeigen die nahezu theoretische Transmission neben der charakteristischen Absorption, die mit einer Konzentration an nicht kompensiertem Bor von 6,5 × 10¹⁶ Atome/cm³ verbunden ist.
(iV) Röntgen-Schwingkurvenkarte (x-ray rocking curves map), zeigt, dass die Winkelverteilung der Probe weniger als 10 arc sec beträgt.
(v) Raman-Spektrum, zeigt, dass eine Linienbreite (FWHM) ungefähr 2 cm^–1 beträgt.

BEISPIEL 3
Das in Beispiel 1 bestimmte Verfahren wurde mit der folgenden Veränderung der Zuchtbedingungen wiederholt:
Ar 75 sccm, H₂ 600 sccm, CH₄ 30 sccm, 330 × 10² Pa, 795°C, 4,4 kW, Gasphasenkonzentrationen von Bor und Stickstoff von 15 bzw. 0,5 ppm. Die gezüchtete CVD-Diamantschicht wurde dann geeignet bearbeitet und auf beiden Oberflächen der Schicht analysiert, welche 300 μm dick war.
Auf der oberen Oberfläche zeigte eine SIMS-Karte eine Borkonzentration von 1, 75 × 10¹⁹ cm^–3 und auf der entgegengesetzten Seite eine durchschnittliche SIMS-Konzentration von 1.98 × 10¹⁹ cm^–3.
BEISPIEL 4
Das in Beispiel 1 bestimmte Verfahren wurde mit der folgenden Veränderung der Zuchtbedingungen wiederholt:
Ar 50 sccm, H₂ 600 sccm, CH₄ 40 sccm, 330 × 10² Pa, 795°C, 4,4 kW, Gasphasenkonzentrationen von Bor und Stickstoff von 0,05 bzw. 0,7 ppm. Die gezüchtete CVD-Diamantschicht wurde dann geeignet bearbeitet und auf beiden Oberflächen der Schicht analysiert, welche 113 μm dick war.
Auf der oberen Oberfläche wurden SIMS-Karten sowohl mit einem Schritt von 0,5 mm über eine Fläche von 2 mm × 4,5 mm erhalten, als auch über die größere Fläche von 5 mm × 6 mm mit einem Schritt von 1 mm. Daten auf der hinteren Oberfläche wurden mit einem Schritt von 1 mm erhalten. Das analysierte Volumen betrug somit 3,4 mm³.
Es wurde gemessen, dass die mittlere Borkonzentration auf der vorderen Oberfläche 0,56 und auf der hinteren Oberfläche 0,52 ppm betrug. Das Prozentwert-Volumen des Materials, das sich so an einen bestimmten Bereich der Konzentrationen um das Mittel anpasst, wurde somit bestimmt, wie in Tabelle 1 gezeigt zu sein: TABELLE 1 – SIMS-Konzentrations- und Verteilungsanalyse für B mit Schritt von 1 mm
Somit kann aus Tabelle 1 gesehen werden, dass 100% der B-Messungen innerhalb eines Gesamtbereichs von 47% auf der oberen Fläche der Probe fielen, und innerhalb eines Bereichs von 30% auf der hinteren Fläche der Probe, und innerhalb eines Bereichs von 48% für beide Hauptoberflächen, die das analysierte Volumen begrenzen, zusammen. Ähnlich fielen 70% dieser Messungen innerhalb eines Bereichs von 19% für beide Flächen zusammen.
Es wurde gemessen, dass die Stickstoffkaonzentration in der Schicht weniger als 0,06 ppm betrug, wobei diese obere Grenze durch die Empfindlichkeit unter den für die Messungen verwendeten Bedingungen bestimmt wird.
Die hintere Oberfläche der Probe wurde weiter in dem SEM unter Verwendung des MonoCL-Systems für die FE- und BE-Intensität analysiert, wobei Daten über eine 6 × 6-Anordnung (36 Datenpunkte) mit einem Schritt von 1 mm aufgenommen wurden, wobei die Ergebnisse in Tabelle 2 gezeigt werden.
TABELLE 2 – Verteilung von FE und BE Messungen
Somit fielen 90% der Messungen auf der unteren Fläche der Probe innerhalb eines Gesamtbereichs um das Mittel von 25% für das frei Exciton, von 18% für das gebundene Exciton, und von 25% für das Verhältnis BE/FE.
BEISPIEL 5
Eine Schicht wurde durch das Verfahren gezüchtet, das in Beispiel 4 beschrieben ist. Diese wurde dann geeignet bearbeitet und auf den vorderen und hinteren Oberflächen von einer 233 μm dicken Schicht analysiert. Das analysierte Volumen betrug 7,0 mm³.
Es wurde bestimmt, dass die Borkonzentration 0,34 ppm in der oberen Fläche betrug, 0,29 ppm in der unteren Fläche, mit einem Mittelwert von 0,32 ppm. Das Prozentwert-Volumen des Materials, das sich so an einen bestimmten Bereich der Konzentrationen um das Mittel anpasst, wurde somit bestimmt, wie in Tabelle 3 gezeigt zu sein: TABELLE 3 – Verteilung SIMS B Messungen
Es wurde gemessen, dass die Stickstoffkaonzentration in der Schicht weniger als 0,03 ppm betrug, wobei diese obere Grenze durch die Empfindlichkeit unter den für die Messungen verwendeten Bedingungen bestimmt wird.
Die vorderen und hinteren Oberflächen der Probe wurde weiter in dem SEM unter Verwendung des MonoCL-Systems für die FE- und BE-Intensität analysiert, wobei Daten über eine 6 × 6-Anordnung (36 Datenpunkte) mit einem Schritt von 1 mm aufgenommen wurden, wobei die Ergebnisse in Tabelle 4 gezeigt werden.
TABELLE 4 – Verteilung der FE und BE Messungen
Unter Verwendung der oberen und unteren Hauptflächen der Schicht als zwei repräsentative Oberflächen zeigte dies, dass 90% der Messungen, die für das gebundene Exciton, das freie Exciton, und das Verhältnis BE/FE, aufgenommen wurden, alle innerhalb einer Verbreitung von im wesentlichen weniger als 30% um das Mittel fallen.
BEISPIEL 6
Eine Schicht wurde durch das in Beispiel 4 beschriebene Verfahren gezüchtet. Diese wurde dann geeignet bearbeitet und sowohl auf der vorderen als auch auf der hinteren Oberfläche einer 538 μm dicken Schicht analysiert. Das analysierte Volumen betrug 16,1 mm³.
Es wurde bestimmt, dass die Borkonzentration 0,52 ppm in der vorderen Oberfläche betrug, 0,34 ppm in der hinteren Oberfläche, mit einem Durchschnitt von 0,43 ppm. Es wurde bestimmt, dass 70% des Volumens dieser Schicht in dem Bereich von –23,3 bis +23,4 des Mittels liegt, ein Gesamtbereich von 46,7%.
Anfertigen einer SIMS-Karte für Bor wurde dann auf der Wachstumsfläche mit einer Auflösung von weniger als 30 μm wiederholt, um die lokale Einheitlichkeit der Boraufnahme weiter zu zeigen, wobei die Ergebnisse unten in Tabelle 5 gezeigt werden. Eine Analyse für Elemente, die von Kohlenstoff verschieden sind, zeigte keine Verunreinigungen über einer Nachweisgrenze von 0,5 ppm.
Es wurde gemessen, dass die Stickstoffkonzentration in der Schicht weniger als 0,03 ppm betrug, wobei diese obere Grenze durch die Empfindlichkeit unter den für die Messungen verwendeten Bedingungen bestimmt wird.
Die vorderen und hinteren Oberflächen der Probe wurden weiter in dem SEM unter Verwendung des MonoCL-Systems für die FE- und BE-Intensität analysiert, wobei Daten über eine 6 × 6-Anordnung (36 Datenpunkte) mit einem Schritt von 1 mm aufgenommen wurden, wobei die Ergebnisse in Tabelle 5 gezeigt werden. TABELLE 5 – Verteilung von B-Konzentration und FE und BE Messungen

^*1 SIMS, < 30 μm Auflösung
^*2 SIMS, < 50 μm Auflösung

Es wurde auch eine Karte dieser Schicht unter Verwendung von IR-Absorption über eine Fläche von 5 × 5 mm (36 Datenpunkte) mit einem Schritt von 1 mm angefertigt, um die Abweichung bezüglich nicht kompensierten Bors zu messen. 90% der Messungen fielen innerhalb eines vollen Bereichs von 34% um den Mittelwert.
Das Raman/Photolumineszenz-Spektrum der Platte wurde bei 77 K unter Verwendung von Licht eines Argonionenlasers bei 514 nm gemessen. Das Spektrum wurde von der Ramanlinie von Diamant bei ungefähr 1332 cm^–1 dominiert, welche eine Linienbreite (FWHM) von 1,6 cm^–1 hat. Die Null-Phononen-Linien bei 575 nm und 637 nm waren unter dem Nachweis, was einen maximalen Wert zu dem Verhältnis ihrer jeweiligen Peak-Intensitäten zu der Raman-Peak-Intensität von 1:1000 ergibt.
BEISPIEL 7
Eine Schicht wurde durch das in Beispiel 4 beschriebene Verfahren gezüchtet. Diese wurde dann in eine 818 mm dicke Schicht bearbeitet und eine Karte wurde unter Verwendung von IR-Absorption über eine Fläche von 5 × 5 mm (36 Datenpunkte) mit einem Schritt von 1 mm angefertigt, um die Abweichung bezüglich nicht kompensierten Bors zu messen. 90% der Messungen fielen in einen vollen Bereich von 13% um den Mittelwert.

Claims

Schicht aus einkristallinem Bor-dotierten Diamant, hergestellt durch CVD, wobei die gesamte Borkonzentration einheitlich ist, mit einer Abweichung über das Mehrheitsvolumen, welche weniger als 50% beträgt, gemessen mit einer seitlichen Auflösung an jedem Messpunkt von weniger als 50 μm, wobei das Mehrheitsvolumen mindestens 70% des gesamten Volumens der Schicht darstellt, und wobei die Schicht mindestens eine der folgenden Eigenschaften (i) und (ii) hat: (i) die Schichtdicke übersteigt 100 μm, und (ii) das Volumen der Schicht übersteigt 1 mm³.
Diamantschicht nach Anspruch 1, wobei die Abweichung über das Mehrheitsvolumen weniger als 20% beträgt.
Diamantschicht nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Abweichung mit einer seitlichen Auflösung an jedem Messpunkt von weniger als 30 μm gemessen wird.
Diamantschicht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Mehrheitsvolumen der Schicht eine Konzentration an nicht kompensiertem Bor von größer als 1 × 10¹⁴ Atome/cm³ und von weniger als 1 × 10²⁰ Atome/cm³ enthält.
Diamantschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Mehrheitsvolumen der Schicht eine Konzentration an nicht kompensiertem Bor von größer als 1 × 10¹⁵ Atome/cm³ und von weniger als 2 × 10¹⁹ Atome/cm³ enthält.
Diamantschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Mehrheitsvolumen der Schicht eine Konzentration an nicht kompensiertem Bor von größer als 5 × 10¹⁵ Atome/cm³ und von weniger als 2 × 10¹⁸ Atome/cm³ enthält.
Diamantschicht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche eine bei 300 K gemessene Löcherbeweglichkeit (μ_h) besitzt, die übersteigt μh = G × 2, 1 × 1010/(Nh 0,25) wenn Nh 8 × 1015 Atome/cm nicht übersteigt (Gleichung (1) μh = G × 1 × 1018/Nh wenn Nh größer als 8 × 1015 Atome/cm ist (Gleichung (2)wobei N_h die Konzentration an Löchern ist, und G einen Wert von größer als 1,1 hat.
Diamantschicht nach Anspruch 7, wobei G einen Wert von größer als 1,4 hat.
Diamantschicht nach Anspruch 7, wobei G einen Wert von größer als 1,7 hat.
Diamantschicht nach Anspruch 7, wobei G einen Wert von größer als 2 hat.
Diamantschicht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche niedrige oder fehlende Lumineszenzmerkmale bei 575 und 637 nm hat, die mit N-V-Zentren verbunden sind.
Diamantschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Verhältnis von jeder der integrierten Null-Phononen-Linien des Stickstoff-Leerstellen-Zentrums bei 575 und 637 nm mit der integrierten Intensität der Diamant-Raman-Linie bei 1332 cm^–1, wenn bei 77 K mit einer 514 nm Ar-Ionen-Laser-Anregung gemessen, weniger als 1/50 beträgt.
Diamantschicht nach Anspruch 12, wobei das Verhältnis weniger als 1/100 beträgt.
Diamantschicht nach Anspruch 12, wobei das Verhältnis weniger als 1/300 beträgt.
Diamantschicht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche eine Raman-Linienbreite, wie bei 300 K gemessen, von weniger als 4 cm^–1 FWHW unter 514 nm Ar-Ionen-Anregung besitzt.
Diamantschicht nach Anspruch 15, wobei die Raman-Linienbreite weniger als 3 cm^–1 FWHW beträgt.
Diamantschicht nach Anspruch 15, wobei die Raman-Linienbreite weniger als 2,5 cm^–1 FWHW beträgt.
Diamantschicht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Frequenzverteilung der Messungen des nicht kompensierten Bors, wie sie durch FTIR über eine repräsentative Probe, die aus der Schicht entnommen wird, aufgenommen werden, derartig ist, dass 90% der Messungen um weniger als 50% von dem Mittel abweichen.
Diamantschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei die Frequenzverteilung der Messungen des nicht kompensierten Bors, wie sie durch FTIR über eine repräsentative Probe, die aus der Schicht entnommen wird, aufgenommen werden, derartig ist, dass 90% der Messungen um weniger als 30% von dem Mittel abweichen.
Diamantschicht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Frequenzverteilung der BE, die über eine repräsentative Oberfläche der Schicht oder Probe, die aus der Schicht entnommen wird, aufgenommen werden, derartig ist, dass 90% der Messungen um weniger als 50% von dem Mittel abweichen.
Diamantschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei die Frequenzverteilung der BE, die über eine repräsentative Oberfläche der Schicht oder Probe, die aus der Schicht entnommen wird, aufgenommen werden, derartig ist, dass 90% der Messungen um weniger als 30% von dem Mittel abweichen.
Diamantschicht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Frequenzverteilung der FE-Messungen, die über eine repräsentative Oberfläche der Schicht oder Probe, die aus der Schicht entnommen wird, aufgenommen werden, derartig ist, dass 90% der Messungen um weniger als 50% von dem Mittel abweichen.
Diamantschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei die Frequenzverteilung der FE-Messungen, die über eine repräsentative Oberfläche der Schicht oder Probe, die aus der Schicht entnommen wird, aufgenommen werden, derartig ist, dass 90% der Messungen um weniger als 30% von dem Mittel abweichen.
Diamantschicht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Mehrheitsvolumen mehr als 85% des Gesamtvolumens der Schicht darstellt.
Diamantschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 23, wobei das Mehrheitsvolumen mehr als 95% des Gesamtvolumens der Schicht darstellt.
Diamantschicht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schicht aus einem einzigen Wachstumssektor gebildet wird, welcher einer von den {100}, den {113}, den {111} und den {110} Sektoren ist.
Diamantschicht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche eine Dicke hat, die 500 μm übersteigt.
Diamantschicht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche ein Volumen hat, das 3 mm³ übersteigt.
Diamantschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 27, welche ein Volumen hat, das 10 mm³ übersteigt.
Diamantschicht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche weiter Stickstoff als Dotierstoff enthält.
Diamantschicht nach Anspruch 30, wobei die Stickstoffkonzentration nicht größer als 1/5 von dieser der Borkonzentration ist.
Diamantschicht nach Ansprüch 30, welche eine Stickstoffkonzentration von weniger als 1/50 von dieser der Borkonzentration enthält.
Diamantkörper, in welchem eine Diamantschicht nach einem der vorhergehenden Ansprüche eine Schicht oder einen Bereich davon bildet.
Diamantkörper nach Anspruch 33 oder eine Diamantschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 32 in der Form eines Edelsteins.
Element, hergestellt aus einer Diamantschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 32 oder aus einem Diamantkörper nach Anspruch 33.
Verfahren zum Herstellen einer Schicht aus einkristallinem, Bor-dotiertem Diamant, umfassend die Schritte des Bereitstellens eines Diamantsubstrats, das eine Oberfläche hat, welche im wesentlichen derartig frei von Kristalldefekten ist, dass eine enthüllende Plasma-Ätzung eine Dichte von Oberflächenätzmerkmalen enthüllen würde, die mit Defekten unter 5 × 10³/mm² verbunden sind, Bereitstellen eines Quellengases, wobei ein derartiges Quellengas eine Quelle von Bor umfasst, Dissoziieren des Quellengases und Ermöglichen des homoepitaktischen Diamantwachstums auf der Oberfläche, welche im wesentlichen frei von Kristalldefekten ist.
Verfahren nach Anspruch 36, wobei die Schicht aus einkristallinem, Bor-dotiertem Diamant diese ist, die in einem der Ansprüche 1 bis 32 definiert wird.
Verfahren nach Anspruch 36 oder 37, wobei dem Quellengas Stickstoff in einer Menge zugegeben wird, die geeignet ist, um die durch den wachsenden einkristallinen Diamanten entwickelte Morphologie zu kontrollieren.
Verfahren nach Anspruch 38, wobei die Stickstoffzugabe zu dem Quellengas größer als 0,5 ppm und weniger als 10000 ppm ist.
Verfahren nach Anspruch 38, wobei die Stickstoffzugabe zu dem Quellengas größer als 1 ppm und weniger als 1000 ppm ist.
Verfahren nach Anspruch 38, wobei die Stickstoffzugabe zu dem Quellengas größer als 3 ppm und weniger als 200 ppm ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 36 bis 41, wobei die Dichte an Oberflächenätzmerkmalen, die mit Defekten auf der Oberfläche, auf welcher Diamantwachstum erfolgt, verbunden sind, unter 10²/mm² ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 36 bis 42, wobei die Oberfläche, auf welcher Diamantwachstum erfolgt, vor dem Diamantwachstum einer Plasma-Ätzung unterzogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 36 bis 43, wobei das Diamantwachstum auf einer {100}, {110}, {113} oder {111} Oberfläche erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 38 bis 44, wobei die Borquelle B₂H₆ ist.