RU2640788C1 - Method for obtaining doped diamond monocrystal - Google Patents

Method for obtaining doped diamond monocrystal Download PDF

Info

Publication number
RU2640788C1
RU2640788C1 RU2016151512A RU2016151512A RU2640788C1 RU 2640788 C1 RU2640788 C1 RU 2640788C1 RU 2016151512 A RU2016151512 A RU 2016151512A RU 2016151512 A RU2016151512 A RU 2016151512A RU 2640788 C1 RU2640788 C1 RU 2640788C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
phosphorus
carbon
nitrogen
temperature
diamond
Prior art date
Application number
RU2016151512A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Давыдович Бланк
Михаил Сергеевич Кузнецов
Сергей Анатольевич Носухин
Сергей Александрович Терентьев
Сергей Александрович Тарелкин
Виталий Сергеевич Бормашов
Сергей Геннадьевич Буга
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов" (ФГБНУ ТИСНУМ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов" (ФГБНУ ТИСНУМ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов" (ФГБНУ ТИСНУМ)
Priority to RU2016151512A priority Critical patent/RU2640788C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2640788C1 publication Critical patent/RU2640788C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: method of growing diamond single-crystals doped with nitrogen and phosphorus at high pressures of 5.5-6.0 GPa and temperatures of 1600-1750°C is carried out on the seed crystal, which is pre-pressed into a substrate of cesium chloride and separated from the source of carbon, nitrogen, and phosphorus with the metal-solvent, which is used as an alloy of iron, aluminium, and carbon. Between the source of carbon, nitrogen, and phosphorus and the seed crystal, a temperature difference of 20-50°C is created. The alloy of iron, aluminium, and carbon in the metal-solvent is taken with the following component ratio, wt %: iron 92.5-95.0; aluminium 2.5-0.5; carbon 5.0-4.0. The mixture of the source of carbon, nitrogen, and phosphorus is taken with the following component ratio, wt %: carbon (graphite) 95.0-97.0; phosphorus 5.0-3.0; adsorbed nitrogen 0.001±0.0005. Heating is carried out up to the initial temperature in a zone of growth at 100-250°C higher the melting temperature of the alloy of the metal-solvent, the exposure is produced at this temperature for 50 to 150 h. The mass flow rate of crystal growth is more than 2 mg/h. The technical result consists in the controlled doping the diamond single- crystal grown on the seed with impurities of phosphorus and nitrogen in the conditions of influence of high pressure and temperature.
EFFECT: resulting large diamond single-crystals contain a nitrogen admixture in the concentration of 0,1-17,8 parts per million of carbon atoms and phosphorus in a concentration of 0,5-5 parts per million of carbon atoms.
2 dwg, 3 ex

Description

Изобретение относится к получению монокристаллов алмазов, в частности, легированных азотом и фосфором, при высоких давлениях и температурах, которые могут быть использованы в устройствах электроники. Атомы фосфора способны замещать атомы углерода в кристаллической решетке алмаза подобно тому, как это происходит в кремнии. Будучи элементом V группы, фосфор является донорной примесью в легированном кремнии. Алмаз как углеродная форма относится к IV-й группе элементов, также как и кремний, и имеет одинаковый с кремнием кубический тип кристаллической структуры. Закономерно, что фосфор выбирают в качестве донорной легирующей примеси при синтезе кристаллов алмаза с электронным типом электрической проводимости.The invention relates to the production of single crystals of diamonds, in particular doped with nitrogen and phosphorus, at high pressures and temperatures that can be used in electronic devices. Phosphorus atoms are capable of replacing carbon atoms in the crystal lattice of diamond, similar to how it occurs in silicon. Being an element of group V, phosphorus is a donor impurity in doped silicon. Diamond as a carbon form belongs to the IV group of elements, as well as silicon, and has the same cubic type of crystalline structure as silicon. It is natural that phosphorus is chosen as a donor dopant in the synthesis of diamond crystals with an electronic type of electrical conductivity.

Для применений в изделиях активной электроники, оптоэлектроники и акустоэлектроники требуются, в первую очередь, высококачественные синтетические монокристаллы алмаза.For applications in products of active electronics, optoelectronics and acoustoelectronics, first of all, high-quality synthetic diamond single crystals are required.

Известен способ выращивания монокристаллов алмаза в области его термодинамической стабильности на затравочном кристалле, который отделяют от источника углерода металлом-растворителем, в качестве которого используют сплав железа, алюминия и углерода, при создании температурного градиента между источником углерода и затравочным кристаллом 20-30°С, причем сплав железа, алюминия и углерода берут при следующем соотношении компонентов, вес. %: железо 89-92, алюминий 4-6, углерод 4-5, при этом нагрев осуществляют до начальной температуры в зоне роста, величина которой на 10-20°С выше температуры плавления сплава металла-растворителя, производят выдержку при этой температуре до 20 ч, а затем проводят периодически повторяющиеся циклы изменения температуры, включающие этап скачкообразного повышения температуры на 10-25°С выше начальной и этап понижения температуры до начальной со скоростью 0,2-3 градуса в минуту [С.А. Терентьев, В.Д. Бланк, С.А. Носухин, М.С. Кузнецов. Способ выращивания монокристаллов алмаза, Патент РФ на изобретение №2320404, МПК С01В 31/06, опубл. 27.03.2008 г.]. Таким способом выращивают крупные монокристаллы алмаза (весом более 3 карат) с массовой скоростью роста более 2 мг/ч, содержащие примесь азота не более 0,1 части на миллион атомов углерода (чнм). Легирование монокристаллов алмаза фосфором по этому способу выращивания не предусмотрено.A known method of growing single crystals of diamond in the field of its thermodynamic stability on a seed crystal, which is separated from the carbon source by a metal solvent, which is used as an alloy of iron, aluminum and carbon, when creating a temperature gradient between the carbon source and the seed crystal 20-30 ° C, moreover, the alloy of iron, aluminum and carbon is taken in the following ratio of components, weight. %: iron 89-92, aluminum 4-6, carbon 4-5, while heating is carried out to an initial temperature in the growth zone, the value of which is 10-20 ° C higher than the melting point of the metal-solvent alloy, soak at this temperature to 20 hours, and then periodically repeated cycles of temperature change are carried out, including the step of stepwise increase in temperature 10-25 ° C above the initial one and the stage of lowering the temperature to the initial one at a speed of 0.2-3 degrees per minute [S.A. Terentyev, V.D. Blank S.A. Nosukhin, M.S. Kuznetsov. A method of growing single crystals of diamond, RF Patent for the invention No. 2320404, IPC СВВ 31/06, publ. March 27, 2008]. In this way, large single crystals of diamond (weighing more than 3 carats) are grown with a mass growth rate of more than 2 mg / h, containing an admixture of nitrogen of not more than 0.1 parts per million carbon atoms (ppm). Doping of single crystals of diamond with phosphorus by this method of growing is not provided.

Для ведения фосфора в алмаз использован метод роста на затравке в реакционной системе графит-фосфор при высоком давлении более 6,5 ГПа и высокой температуре 1800-2200°С [Akaishi М.; Kanda Н.; Yamaoka S. Phosphorus - An elemental catalyst for diamond synthesis and growth. - Science 1993, 259, P. 1592-1593; Michau D.; Kanda H.; Yamaoka S. Crystal growth of diamond from a phosphorus solvent under high pressure-high temperature conditions. - Diam. Relat. Mater. 1999, 8, P. 1125-1129; патент JP 5123562 (A), МПК: B01J 3/06, опубл. 1993.05.21]. В реакционной системе Fe-Ni-P-C монокристаллы алмаза с максимальными размерами в сечении до 4×4 мм2 выращены при давлении 5.4-5.8 GPa и температуре 1280-1360°С [Н.М. - Hua, В. Ning, L. Shang-Sheng, S. Tai-Chao, Z.A. - Guo, H. Qiang, J. Xiao-Peng, M. Hong-An. Effects of FeNi-phosphorus-carbon system on crystal growth of diamond under high pressure and high temperature conditions. Chin. Phys. B, 2015, 24, No. 3, 038101]. Однако концентрация фосфора в выращенных кристаллах не исследована.To conduct phosphorus into diamond, the growth method was used on a seed in the graphite-phosphorus reaction system at high pressures of more than 6.5 GPa and a high temperature of 1800-2200 ° C [Akaishi M .; Kanda N .; Yamaoka S. Phosphorus - An elemental catalyst for diamond synthesis and growth. Science 1993, 259, P. 1592-1593; Michau D .; Kanda H .; Yamaoka S. Crystal growth of diamond from a phosphorus solvent under high pressure-high temperature conditions. - Diam. Relat. Mater. 1999, 8, P. 1125-1129; JP 5123562 (A), IPC: B01J 3/06, publ. 1993.05.21]. In the Fe-Ni-PC reaction system, diamond single crystals with maximum cross-sectional sizes up to 4 × 4 mm 2 were grown at a pressure of 5.4-5.8 GPa and a temperature of 1280-1360 ° C [N.M. - Hua, B. Ning, L. Shang-Sheng, S. Tai-Chao, ZA - Guo, H. Qiang, J. Xiao-Peng, M. Hong-An. Effects of FeNi-phosphorus-carbon system on crystal growth of diamond under high pressure and high temperature conditions. Chin. Phys. B, 2015, 24, No. 3, 038101]. However, the phosphorus concentration in the grown crystals has not been studied.

Легированные фосфором алмазы получены методом химического осаждения из газовой фазы, содержащей фосфор [Koizumi S.; Kamo М.; Sato Y.; Ozaki H.; Inuzuka Т. Growth and characterization of phosphorous doped {111} homoepitaxial diamond thin films. - Appl. Phys. Lett., 1997, 71, P. 1065-1067] и методом ионной имплантации ионов фосфора в кристаллы алмаза [Р.С. Нельсон, Д.А. Хадсон, Д.Д. Мейзи, Способ получения полупроводникового алмаза, патент SU 1083915 А, МПК С30В 31/22, опубл. 01.06.1978; патент US 5609926, МПК С01В 31/06, опубл. 03.11.1997].Phosphorus-doped diamonds are obtained by chemical vapor deposition containing phosphorus [Koizumi S .; Kamo M .; Sato Y .; Ozaki H .; Inuzuka T. Growth and characterization of phosphorous doped {111} homoepitaxial diamond thin films. - Appl. Phys. Lett., 1997, 71, P. 1065-1067] and by the method of ion implantation of phosphorus ions in diamond crystals [R.S. Nelson, D.A. Hudson, D.D. Maisy, A method of obtaining a semiconductor diamond, patent SU 1083915 A, IPC C30B 31/22, publ. 06/01/1978; US patent 5609926, IPC СВВ 31/06, publ. 11/03/1997].

При этом, несмотря на уместную аналогию легирования алмаза фосфором подобно кремнию, в действительности вхождение атомов фосфора в кристаллическую решетку алмаза сильно затруднено из-за значительного несовпадения атомных радиусов углерода и фосфора, в отличие от системы кремний-фосфор. В связи с чем внедрение атомов фосфора в кристаллическую решетку алмаза сопровождается возникновением различных дефектов структуры, что ухудшает оптические и электронные свойства кристаллов.Moreover, despite the pertinent analogy of doping diamond with phosphorus like silicon, in reality, the entry of phosphorus atoms into the diamond crystal lattice is very difficult due to the significant mismatch of the atomic radii of carbon and phosphorus, in contrast to the silicon-phosphorus system. In this connection, the introduction of phosphorus atoms into the crystal lattice of diamond is accompanied by the appearance of various structural defects, which affects the optical and electronic properties of crystals.

Для компенсации локальных напряжений вблизи атомов фосфора и улучшения кристаллической структуры легированных фосфором кристаллов алмаза, выращиваемых методом роста при высоких давлении и температуре, предложена методика одновременного легирования фосфором и азотом [B. Yan, X. Jia, С. Fang, N. Chen, Y. Li, S. Sun, H.A. Ma, The effect of phosphorus and nitrogen co-doped on the synthesis of diamond at high pressure and high temperature, Int. J. Refractory Metals and Hard Materials, 2016, 54, Р. 309-314]. Таким способом выращены монокристаллы алмаза с максимальными размерами в сечении до 3×3 мм2 в системе NiMnCo-C с добавлением P3N5 в концентрации до 0.4 вес. % и с добавлением до 1.5 вес. % фосфора в системе с порошкообразным карбонильным железом. Методом ИК-спектроскопии была определена достаточно высокая концентрация азота в полученных кристаллах, которая составила 860 чнм (частей на миллион) в виде пар азота и 1260 чнм в виде одиночных замещающих атомов. Однако концентрация фосфора не была определена.To compensate for local stresses near phosphorus atoms and improve the crystal structure of phosphorus-doped diamond crystals grown by the growth method at high pressure and temperature, a technique was proposed for doping with phosphorus and nitrogen simultaneously [B. Yan, X. Jia, S. Fang, N. Chen, Y. Li, S. Sun, HA Ma, The effect of phosphorus and nitrogen co-doped on the synthesis of diamond at high pressure and high temperature, Int. J. Refractory Metals and Hard Materials, 2016, 54, P. 309-314]. In this way, single crystals of diamond were grown with a maximum cross-sectional size of up to 3 × 3 mm 2 in the NiMnCo-C system with the addition of P 3 N 5 at a concentration of up to 0.4 wt. % and with the addition of up to 1.5 weight. % phosphorus in a system with powdered carbonyl iron. A sufficiently high nitrogen concentration in the obtained crystals was determined by IR spectroscopy, which amounted to 860 ppm (parts per million) in the form of nitrogen pairs and 1260 ppm in the form of single substituting atoms. However, the phosphorus concentration has not been determined.

Наиболее близким из известных аналогов техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ получения алмаза, легированного фосфором, включающий воздействие высоких давления и температуры на реакционную систему из графита и фосфора, отличающийся тем, что реакционную систему из графита и фосфора предварительно отжигают в токе водорода при температурах 200-280°С и осуществляют синтез алмаза в области температур 1450-1650°С и в области давлений 6,3-7,5 ГПа, ограниченной при 6,3 ГПа интервалом 1550-1650°С, а при 7,5 ГПа ограниченной интервалом 1450-1550°С при длительности не менее 40 ч [Пальянов Ю.Н., Куприянов И.Н., Сокол А.Г., Хохряков А.Ф., Борздов Ю.М., Калинин А.А. Способ получения алмаза, легированного фосфором (варианты), патент RU 2476375 С1, МПК С01В 31/06, С30В 29/04, опубл. 27.02.2013]. Технический результат данного изобретения заключается в повышении качества кристаллов алмаза и снижении температуры и давления роста алмазов размером 200-300 мкм с различной концентрацией примеси, получаемых в системе фосфор-углерод.The closest of the known analogues technical solution, selected as a prototype, is a method for producing phosphorus doped diamond, including the action of high pressure and temperature on the reaction system from graphite and phosphorus, characterized in that the reaction system from graphite and phosphorus is preliminarily annealed in a stream of hydrogen at temperatures of 200-280 ° C and carry out the synthesis of diamond in the temperature range of 1450-1650 ° C and in the pressure range of 6.3-7.5 GPa, limited at 6.3 GPa with an interval of 1550-1650 ° C, and at 7.5 GPa limited interval scrap 1450-1550 ° С with a duration of at least 40 hours [Palyanov Yu.N., Kupriyanov I.N., Sokol A.G., Khokhryakov A.F., Borzdov Yu.M., Kalinin A.A. A method of obtaining a diamond doped with phosphorus (options), patent RU 2476375 C1, IPC СВВ 31/06, СВВ 29/04, publ. 02/27/2013]. The technical result of this invention is to improve the quality of diamond crystals and reduce the temperature and pressure of the growth of diamonds with a size of 200-300 microns with different concentrations of impurities obtained in the phosphorus-carbon system.

Задачей настоящего технического решения является контролируемое легирование выращиваемого на затравке монокристалла алмаза примесями фосфора и азота в условиях воздействия высоких давления и температуры.The objective of this technical solution is the controlled alloying of a single-crystal diamond grown on a seed with impurities of phosphorus and nitrogen under conditions of high pressure and temperature.

Технический результат достигается тем, что из реакционной системы углерод-азот-фосфор в виде смеси графита и фосфора с адсорбированным азотом в концентрации около 0,001±0,0005 вес. % при соотношении фосфора к углероду 3-5 вес. % готовят заготовку в виде шайбы и размещают ее на заготовке в виде шайбы из сплава металла-растворителя, в качестве которого используют сплав железа, алюминия и углерода при соотношении компонентов, вес. %: железо - 92,5-95,0, алюминий - 0,5-2,5, углерод - 4-5, под которой размещают подложку из хлорида цезия с предварительно запрессованным в ней затравочным кристаллом алмаза, причем затравочный монокристалл алмаза ориентируют гранью (100) параллельно плоскости шайбы металла-растворителя. В результате добавления алюминия в реакционную систему концентрация азота в выращенных кристаллах уменьшается за счет известной химической реакции образования нитрида алюминия, и в то же время фосфор частично замещает азот в структуре легированного алмаза. В отсутствие алюминия в металле-растворителе концентрация примеси фосфора в выращенных алмазах не превышает 0,1 чнм, а концентрация азота максимальна: около 100 чнм. При концентрации алюминия более 2.5 вес. % в металле-растворителе концентрация фосфора в выращенных алмазах также не превышает 0,1 чнм, при этом и концентрация азота снижается ниже 0,1 чнм. Только при концентрации алюминия в металле-растворителе 0.5-2.5 вес. % получают кристаллы алмаза, в которых одновременно присутствует азот в количестве 0,1-17,8 чнм и фосфор в количестве 0,5-5 чнм. Температуру в зоне роста алмаза задают на 100-250°С выше температуры плавления сплава металла-растворителя и производят выдержку при этой температуре от 50 до 150 часов, причем получение алмаза осуществляют в области давлений 5,5-6,0 ГПа и в области температуры 1600-1750°С. Монокристаллы легированного алмаза выращивают в условиях разности температур между источником углерода и затравочным кристаллом 20-50°С. При соблюдении указанных условий выращивают кристаллы алмаза весом более 0,6 каратов с массовой скоростью роста более 2 мг/ч. Кристаллы содержат 0,1-17,8 чнм примеси азота и 0,5-5 чнм примеси фосфора.The technical result is achieved by the fact that from the reaction system carbon-nitrogen-phosphorus in the form of a mixture of graphite and phosphorus with adsorbed nitrogen in a concentration of about 0.001 ± 0.0005 weight. % with a ratio of phosphorus to carbon 3-5 weight. % prepare the workpiece in the form of a washer and place it on the workpiece in the form of a washer from a metal-solvent alloy, which is used as an alloy of iron, aluminum and carbon with a ratio of components, weight. %: iron - 92.5-95.0, aluminum - 0.5-2.5, carbon - 4-5, under which a cesium chloride substrate is placed with a seed diamond crystal pre-pressed into it, and the seed diamond single crystal is oriented with a face (100) parallel to the plane of the solvent metal washer. As a result of the addition of aluminum to the reaction system, the nitrogen concentration in the grown crystals decreases due to the well-known chemical reaction of the formation of aluminum nitride, and at the same time, phosphorus partially replaces nitrogen in the structure of doped diamond. In the absence of aluminum in the solvent metal, the concentration of phosphorus impurity in the grown diamonds does not exceed 0.1 ppm, and the nitrogen concentration is maximum: about 100 ppm. At an aluminum concentration of more than 2.5 weight. % in the solvent metal, the phosphorus concentration in the grown diamonds also does not exceed 0.1 ppm, while the nitrogen concentration decreases below 0.1 ppm. Only when the concentration of aluminum in the metal solvent is 0.5-2.5 weight. % get diamond crystals in which nitrogen is simultaneously present in an amount of 0.1-17.8 ppm and phosphorus in an amount of 0.5-5 ppm. The temperature in the diamond growth zone is set 100-250 ° C higher than the melting point of the metal-solvent alloy and held at this temperature from 50 to 150 hours, and the diamond is produced in the pressure range 5.5-6.0 GPa and in the temperature range 1600-1750 ° C. Doped diamond single crystals are grown under conditions of a temperature difference between a carbon source and a seed crystal of 20-50 ° C. Under these conditions, diamond crystals are grown weighing more than 0.6 carats with a mass growth rate of more than 2 mg / h. The crystals contain 0.1-17.8 ppm impurities of nitrogen and 0.5-5 ppm impurities of phosphorus.

Технический результат изобретения заключается в выращивании крупных монокристаллов алмаза, легированных азотом и фосфором, для применения в элементах электронной техники.The technical result of the invention is to grow large single crystals of diamond doped with nitrogen and phosphorus, for use in electronic components.

Решение технической задачи подтверждается Фиг. 1, 2, на которых показаны выращенные монокристаллы алмазов, зафиксированные в кольцевой обойме с полимерным связующим (Фиг. 1), и величина концентрации атомов фосфора в зависимости от глубины относительно поверхности кристаллов по данным масс-спектроскопии вторичных ионов ВИМС (Фиг. 2). В диапазоне глубины 0-80 нм результаты (Фиг. 2) показывают завышенную концентрацию фосфора, связанную с инструментальной погрешностью измерений, и не должны приниматься во внимание. Об этом свидетельствует кривая 4, относящаяся к контрольному кристаллу №4, выращенному без добавления фосфора в ростовую среду.The solution to the technical problem is confirmed by FIG. 1, 2, which show the grown single crystals of diamonds fixed in an annular holder with a polymer binder (Fig. 1), and the concentration of phosphorus atoms depending on the depth relative to the surface of the crystals according to the mass spectroscopy of secondary SIMS ions (Fig. 2). In the depth range 0-80 nm, the results (Fig. 2) show an overestimated concentration of phosphorus associated with the instrumental measurement error and should not be taken into account. This is evidenced by curve 4, referring to control crystal No. 4 grown without adding phosphorus to the growth medium.

Результаты измерения концентрации фосфора по глубине относительно поверхности {111} кристаллов №№1-4 приведены на Фиг. 2. Номера кривых соответствуют номерам кристаллов в примерах 1-3.The results of measuring the phosphorus concentration in depth relative to the surface of {111} crystals Nos. 1-4 are shown in FIG. 2. The numbers of the curves correspond to the numbers of the crystals in examples 1-3.

Примеры осуществления способа.Examples of the method.

Пример 1Example 1

Для роста монокристалла алмаза, легированного азотом и фосфором, используют аппарат высокого давления типа "тороид", аналогично [С.А. Терентьев, В.Д. Бланк, С.А. Носухин, М.С. Кузнецов. Способ выращивания монокристаллов алмаза, Патент РФ на изобретение №2320404, МПК С01В 31/06, опубл. 27.03.2008 г.], в котором реализован метод температурного градиента роста алмаза на затравочном кристалле.For the growth of a diamond single crystal doped with nitrogen and phosphorus, a toroid type high-pressure apparatus is used, similarly to [S.A. Terentyev, V.D. Blank S.A. Nosukhin, M.S. Kuznetsov. A method of growing single crystals of diamond, RF Patent for the invention No. 2320404, IPC СВВ 31/06, publ. March 27, 2008], which implements the method of temperature gradient of diamond growth on a seed crystal.

В реакционном объеме ячейки высокого давления размещают шайбу общим весом 1,1 г, состоящую из графита чистоты 99,99%, содержащего 0,001±0,0005 вес. % адсорбированного азота, при этом графит составляет 97 вес. % шайбы, а остальные 3,0 вес. % - фосфор чистоты 99,99%. Диаметр шайбы 15 мм, высота 2,75 мм, под нее размещают шайбу сплава металла-растворителя диаметром 15 мм, высотой 4,5 мм со следующим соотношением компонентов, вес. %: железо - 94,5, алюминий - 0,5, углерод - 5,0. Затравочный монокристалл алмаза размером 0,5 мм, весом около 4 мг ориентируют гранью (100) параллельно плоскости шайбы металла-растворителя и запрессовывают в подложку из хлорида цезия, которую размещают под шайбой металла-растворителя. Собранную ячейку помещают в АВД типа «тороид», который размещают в рабочем пространстве гидравлического пресса ДО 044. Создают давление в реакционном объеме 5,5 ГПа и под управлением автоматизированной системы контроля процессом кристаллизации увеличивают подводимую электрическую мощность до величины, обеспечивающей достижение температуры в зоне роста на 100°С выше температуры плавления сплава металла-растворителя ~1500°С, при разнице температур между источником углерода и затравочным кристаллом 20°С. Разницу температур между источником углерода и затравочным кристаллом (зоной роста) задают при помощи верхнего и нижнего торцевых нагревателей разной высоты, изготовленных из смеси графита и двуокиси циркония. Указанный режим поддерживают 50 часов. Далее, под управлением автоматизированной системы контроля процессом кристаллизации осуществляют равномерное снижение подводимой электрической мощности в течение 3 часов, чем обеспечивают снижение температуры в реакционном объеме со скоростью 1 градус в минуту. Отключают подвод электрической мощности, снижают давление, разгружают АВД, извлекают реакционную ячейку. Отделяют шайбу металла-растворителя с выращенным алмазом и растворяют металл в смеси соляной и азотной кислот (царская водка) в течение 30 мин. Извлекают выращенный алмаз и отмывают в дистиллированной воде с поверхностно-активными веществами и деионизированной водой. Вес кристалла 123 мг (0.615 карата). Длительность процесса роста кристалла составила 50 часов, а средняя массовая скорость роста - 2,4 мг/ч. Концентрация примеси азота Nc, рассчитанная по величине коэффициента поглощения при 270 нм α270 в спектре, снятом на спектрометре CARY 4000: Nс [чнм]=0.517 α270 [см-1], составляет 17,8 чнм. Полученный кристалл закрепляют в связующем полимере внутри обоймы для проведения элементного анализа методом масс-спектроскопии вторичных ионов (SIMS) (Фиг. 1, №1). В кристалле №1 на глубине более 200 нм концентрация фосфора составила около 0.5 чнм.A washer with a total weight of 1.1 g, consisting of 99.99% pure graphite, containing 0.001 ± 0.0005 weight, is placed in the reaction volume of the high-pressure cell. % adsorbed nitrogen, while graphite is 97 weight. % of the puck, and the remaining 3.0 weight. % - phosphorus purity 99.99%. The diameter of the washer is 15 mm, the height is 2.75 mm, a washer of a metal-solvent alloy with a diameter of 15 mm, a height of 4.5 mm and the following ratio of components is placed under it, weight. %: iron - 94.5, aluminum - 0.5, carbon - 5.0. A 0.5 mm diamond seed crystal, weighing about 4 mg, is oriented with a (100) face parallel to the plane of the solvent metal washer and pressed into a cesium chloride substrate, which is placed under the solvent metal washer. The assembled cell is placed in a toroid type pressure chamber, which is placed in the working space of a hydraulic press DO 044. Create a pressure in the reaction volume of 5.5 GPa and, under the control of an automated crystallization process control system, increase the supplied electric power to a value ensuring temperature in the growth zone 100 ° C higher than the melting point of the metal-solvent alloy ~ 1500 ° C, with a temperature difference between the carbon source and the seed crystal of 20 ° C. The temperature difference between the carbon source and the seed crystal (growth zone) is set using the upper and lower end heaters of different heights made of a mixture of graphite and zirconium dioxide. The specified mode is supported by 50 hours. Further, under the control of an automated control system for the crystallization process, a uniform reduction in the input electric power is carried out for 3 hours, thereby reducing the temperature in the reaction volume at a rate of 1 degree per minute. Turn off the supply of electrical power, reduce the pressure, unload the pressure switch, remove the reaction cell. A puck of the solvent metal with the grown diamond is separated and the metal is dissolved in a mixture of hydrochloric and nitric acids (aqua regia) for 30 minutes. The grown diamond is recovered and washed in distilled water with surfactants and deionized water. Crystal weight 123 mg (0.615 carats). The duration of the crystal growth process was 50 hours, and the average mass growth rate was 2.4 mg / h. The concentration of nitrogen impurity N c calculated from the absorption coefficient at 270 nm α 270 in the spectrum recorded on a CARY 4000 spectrometer: N with [ppm] = 0.517 α 270 [cm -1 ] is 17.8 ppm. The obtained crystal is fixed in a binder polymer inside the holder for conducting elemental analysis by secondary ion mass spectroscopy (SIMS) (Fig. 1, No. 1). In crystal No. 1 at a depth of more than 200 nm, the phosphorus concentration was about 0.5 ppm.

Пример 2Example 2

Рост монокристалла алмаза, легированного азотом и фосфором, и анализ содержания фосфора выполняют аналогично примеру 1, но при увеличенной вдвое концентрации алюминия в сплаве-растворителе: 1.0 вес. %. Содержание остальных элементов следующее: 95,0 вес. % Fe, 4,0 вес. % С. Создают давление в реакционном объеме 5,5 ГПа и под управлением автоматизированной системы контроля процессом кристаллизации увеличивают подводимую электрическую мощность до величины, обеспечивающей достижение температуры в зоне роста на 100°С выше температуры плавления сплава металла-растворителя ~1500°С, при разнице температур между источником углерода и затравочным кристаллом 30°С. Суммарная длительность процесса выращивания кристалла составила 150 часов. Далее, как и в примере 1, под управлением автоматизированной системы контроля процессом кристаллизации осуществляют равномерное снижение подводимой электрической мощности в течение 3 часов, чем обеспечивают снижение температуры в реакционном объеме со скоростью 1 градус в минуту. Аналогично примеру 1 отделяют шайбу металла-растворителя с выращенным алмазом и растворяют металл в смеси соляной и азотной кислот (царская водка) в течение 30 мин. Извлекают выращенный алмаз и отмывают в дистиллированной воде с поверхностно-активными веществами и деионизированной водой. Вес выращенного кристалла составил 421 мг (2,1 карата), а средняя массовая скорость роста - 2,8 мг/ч. Концентрация примеси азота Nc, рассчитанная по величине коэффициента поглощения при 270 нм α270, составляет 1,3 чнм (частей на миллион). Полученный кристалл был закреплен в связующем полимере внутри обоймы для проведения элементного анализа методом масс-спектроскопии вторичных ионов (ВИМС) (Фиг. 1, №2). Результаты измерения концентрации фосфора по глубине относительно поверхности {111} кристалла приведены на Фиг. 2, кривая 2. На глубине более 200 нм концентрация фосфора составила около 5 чнм.The growth of a diamond single crystal doped with nitrogen and phosphorus, and the analysis of the phosphorus content are carried out analogously to example 1, but with a doubled concentration of aluminum in the solvent alloy: 1.0 weight. % The content of the remaining elements is as follows: 95.0 weight. % Fe, 4.0 weight. % C. They create a pressure in the reaction volume of 5.5 GPa and, under the control of an automated system for controlling the crystallization process, increase the supplied electric power to a value that ensures that the temperature in the growth zone is 100 ° C higher than the melting point of the metal-solvent alloy ~ 1500 ° C, at the temperature difference between the carbon source and the seed crystal 30 ° C. The total duration of the crystal growth process was 150 hours. Further, as in example 1, under the control of an automated control system for the crystallization process, a uniform reduction in the input electric power is carried out for 3 hours, thereby reducing the temperature in the reaction volume at a rate of 1 degree per minute. Analogously to example 1, the washer metal-solvent with the grown diamond is separated and the metal is dissolved in a mixture of hydrochloric and nitric acids (aqua regia) for 30 minutes. The grown diamond is recovered and washed in distilled water with surfactants and deionized water. The weight of the grown crystal was 421 mg (2.1 carats), and the average mass growth rate was 2.8 mg / h. The nitrogen impurity concentration N c calculated from the absorption coefficient at 270 nm α 270 is 1.3 ppm (parts per million). The obtained crystal was fixed in a binder polymer inside the holder for conducting elemental analysis by secondary ion mass spectroscopy (SIMS) (Fig. 1, No. 2). The results of measuring the phosphorus concentration in depth relative to the surface of the {111} crystal are shown in FIG. 2, curve 2. At a depth of more than 200 nm, the phosphorus concentration was about 5 ppm.

Пример 3Example 3

Рост монокристалла алмаза, легированного азотом и фосфором, и анализ содержания фосфора выполняют аналогично примеру 1, но при соотношении графита и фосфора в реакционной системе 95,0 вес. % и 5,0 вес. % соответственно. Содержание алюминия в сплаве-растворителе: 2,5 вес. %. Содержание остальных элементов следующее: 92,5 вес. % Fe, 5,0 вес. % С.Создают давление в реакционном объеме 6,0 ГПа и под управлением автоматизированной системы контроля процессом кристаллизации увеличивают подводимую электрическую мощность до величины, обеспечивающей достижение температуры в зоне роста на 250°С выше температуры плавления сплава металла-растворителя ~1500°С, при разнице температур между источником углерода и затравочным кристаллом 50°С. Далее под управлением автоматизированной системы контроля процессом кристаллизации осуществляют равномерное снижение подводимой электрической мощности в течение 5 часов, чем обеспечивают снижение температуры в реакционном объеме со скоростью 1 градус в минуту. Аналогично примеру 1 отделяют шайбу металла-растворителя с выращенным алмазом и растворяют металл в смеси соляной и азотной кислот (царская водка) в течение 30 мин. Извлекают выращенный алмаз и отмывают в дистиллированной воде с поверхностно-активными веществами и деионизированной водой.The growth of a diamond single crystal doped with nitrogen and phosphorus, and the analysis of the phosphorus content are carried out analogously to example 1, but with a ratio of graphite and phosphorus in the reaction system of 95.0 weight. % and 5.0 weight. % respectively. The aluminum content in the solvent alloy: 2.5 weight. % The content of the remaining elements is as follows: 92.5 weight. % Fe, 5.0 weight. % C. They create pressure in the reaction volume of 6.0 GPa and, under the control of an automated control system for the crystallization process, increase the supplied electric power to a value that ensures that the temperature in the growth zone is reached by 250 ° C above the melting point of the metal-solvent alloy ~ 1500 ° C, at the temperature difference between the carbon source and the seed crystal 50 ° C. Then, under the control of an automated system for controlling the crystallization process, a uniform reduction in the input electric power is carried out for 5 hours, which ensures a decrease in temperature in the reaction volume at a rate of 1 degree per minute. Analogously to example 1, the washer metal-solvent with the grown diamond is separated and the metal is dissolved in a mixture of hydrochloric and nitric acids (aqua regia) for 30 minutes. The grown diamond is recovered and washed in distilled water with surfactants and deionized water.

Суммарная длительность процесса выращивания составила 50 часов, вес выращенного кристалла составил 132 мг (0,66 карата), а средняя массовая скорость роста - 2,6 мг/ч. Концентрация примеси азота Nc, рассчитанная по величине коэффициента поглощения при 270 нм α270, составляет 0,1 чнм (частей на миллион). Полученный кристалл был закреплен в связующем полимере внутри обоймы для проведения элементного анализа методом масс-спектроскопии вторичных ионов (SIMS) (Фиг. 1, №3). Результаты измерения концентрации фосфора по глубине относительно поверхности {111} кристалла приведены на Фиг. 2, кривая 3. На глубине более 200 нм концентрация фосфора составила около 2 чнм.The total duration of the growing process was 50 hours, the weight of the grown crystal was 132 mg (0.66 carats), and the average mass growth rate was 2.6 mg / h. The nitrogen impurity concentration N c calculated from the absorption coefficient at 270 nm α 270 is 0.1 ppm (parts per million). The obtained crystal was fixed in a binder polymer inside the holder for conducting elemental analysis by secondary ion mass spectroscopy (SIMS) (Fig. 1, No. 3). The results of measuring the phosphorus concentration in depth relative to the surface of the {111} crystal are shown in FIG. 2, curve 3. At a depth of more than 200 nm, the phosphorus concentration was about 2 ppm.

Предлагаемое техническое решение позволяет получать легированные монокристаллы алмаза весом более 0.6 карат с массовой скоростью роста более 2 мг/ч, содержащие примесь азота в концентрации 0,1-17.8 частей на миллион и фосфор в концентрации 0,5-5 частей на миллион. Полученные легированные монокристаллы алмаза могут применяться в изделиях активной электроники, оптоэлектроники и акустоэлектроники.The proposed technical solution allows to obtain doped single crystals of diamond weighing more than 0.6 carats with a mass growth rate of more than 2 mg / h, containing an admixture of nitrogen at a concentration of 0.1-17.8 ppm and phosphorus at a concentration of 0.5-5 ppm. The obtained doped single crystals of diamond can be used in products of active electronics, optoelectronics and acoustoelectronics.

Claims (1)

Способ получения легированного алмаза, включающий воздействие высоких давления и температуры на реакционную систему из углерода в виде графита и фосфора, отличающийся тем, что дополнительно в реакционную систему вводят азот в следующем соотношении компонентов, вес.%: углерод 95,0-97,0; фосфор 3,0-5,0; адсорбированный азот 0,001±0,0005, причем из порошков графита с примесью азота и фосфора готовят заготовку в виде шайбы и размещают ее на заготовке в виде шайбы из сплава металла-растворителя, выполненной из железа, алюминия и углерода со следующим содержанием компонентов, вес.%: железо 92,5-95,0; алюминий 0,5-2,5; углерод 4,0-5,0, при этом под шайбой из сплава металла-растворителя помещают подложку из хлорида цезия, в которую предварительно запрессовывают затравочный монокристалл алмаза, ориентированный гранью (100) параллельно плоскости шайбы металла-растворителя, а температуру в зоне роста алмаза задают на 100-250°C выше температуры плавления сплава металла-растворителя и производят выдержку при этой температуре от 50 до 150 ч, причем получение алмаза осуществляют в области давлений 5,5-6,0 ГПа при разности температур между затравочным кристаллом и источником углерода-азота-фосфора 20-50°C.A method for producing doped diamond, including the effect of high pressure and temperature on the reaction system from carbon in the form of graphite and phosphorus, characterized in that nitrogen is additionally introduced into the reaction system in the following ratio of components, wt.%: Carbon 95.0-97.0; phosphorus 3.0-5.0; adsorbed nitrogen is 0.001 ± 0.0005, and a blank in the form of a washer is prepared from graphite powders with an admixture of nitrogen and phosphorus and placed on a blank in the form of a washer from an alloy of a metal-solvent made of iron, aluminum and carbon with the following content of components, weight. %: iron 92.5-95.0; aluminum 0.5-2.5; carbon 4.0-5.0, while a cesium chloride substrate is placed under the washer from the metal-solvent alloy, into which a seed diamond single crystal, oriented with face (100) parallel to the plane of the washer-metal washer, is pre-pressed, and the temperature is in the diamond growth zone set at 100-250 ° C above the melting point of the metal-solvent alloy and hold at this temperature from 50 to 150 hours, and the diamond is produced in the pressure range 5.5-6.0 GPa at a temperature difference between the seed crystal and the source ohm-carbon nitrogen-phosphorus 20-50 ° C.
RU2016151512A 2016-12-27 2016-12-27 Method for obtaining doped diamond monocrystal RU2640788C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016151512A RU2640788C1 (en) 2016-12-27 2016-12-27 Method for obtaining doped diamond monocrystal

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016151512A RU2640788C1 (en) 2016-12-27 2016-12-27 Method for obtaining doped diamond monocrystal

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2640788C1 true RU2640788C1 (en) 2018-01-11

Family

ID=68235347

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016151512A RU2640788C1 (en) 2016-12-27 2016-12-27 Method for obtaining doped diamond monocrystal

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2640788C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117026356A (en) * 2023-08-23 2023-11-10 山东省科学院新材料研究所 Preparation method of nitrogen-doped diamond monocrystal

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0892092B1 (en) * 1997-07-16 2003-10-01 General Electric Company Surface enriched diamond

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0892092B1 (en) * 1997-07-16 2003-10-01 General Electric Company Surface enriched diamond

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
YAN B. et al. The effect of phosphorus and nitrogen co-doped on the synthesis of diamond at high pressure and high temperature // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 2016, 54, pp. 309-314. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117026356A (en) * 2023-08-23 2023-11-10 山东省科学院新材料研究所 Preparation method of nitrogen-doped diamond monocrystal

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4147572A (en) Method for epitaxial production of semiconductor silicon carbide utilizing a close-space sublimation deposition technique
US20080003447A1 (en) Materials and methods for the manufacture of large crystal diamonds
EP2484815A1 (en) Sic single crystal and method for producing same
JPH05208900A (en) Apparatus for growing silicon carbide single crystal
JP2004002173A (en) Silicon carbide single crystal and its manufacturing method
CN101560693A (en) Method for preparing solar energy level silicon crystals containing doped element
Teraji et al. Effective use of source gas for diamond growth with isotopic enrichment
Liu et al. Diamond crystallization and growth in N–H enriched environment under HPHT conditions
CN108193282B (en) A kind of synthetic method and its application of high-purity silicon carbide raw material
JPS5948792B2 (en) Silicon carbide crystal growth method
Huang et al. Growth of gem-grade nitrogen-doped diamond crystals heavily doped with the addition of Ba (N3) 2
US9890471B2 (en) Method for producing gallium nitride crystal by reacting metal gallium and iron nitride
RU2640788C1 (en) Method for obtaining doped diamond monocrystal
JP7235318B2 (en) SEMI-INSULATING SILICON CARBIDE SINGLE CRYSTAL DOPED WITH MINOR VANADIUM, SUBSTRATE AND MANUFACTURING METHOD
Spitsyn Chemical crystallization of diamond from the activated vapor phase
US20090004093A1 (en) Materials and methods for the manufacture of large crystal diamonds
CN111115625A (en) Preparation method of doped diamond powder
US5211801A (en) Method for manufacturing single-crystal silicon carbide
Huang et al. Crystallization of HPHT diamond crystals in a floatage system under the influence of nitrogen and hydrogen simultaneously
CN110067027B (en) Method for improving yield of bulk hexagonal phase boron nitride single crystal
KR102149338B1 (en) Apparatus and method for manufacturing hexagonal Si crystal
EP1132505B1 (en) Method for producing single-crystal silicon carbide
KR20150142245A (en) Silicon carbide powder, method of fabrication the same and silicon carbide single crystal
Yan et al. The growth mechanism of B/N co-doped diamonds under high pressure and high temperature
JP2002274994A (en) Method and apparatus of manufacturing silicon carbide single crystal and silicon carbide single crystal ingot