一种高迁移率的n型纳米金刚石薄膜及制备方法技术

本发明专利技术提供了一种高迁移率n型纳米金刚石薄膜及制备方法：采用离子注入方法，在纳米金刚石薄膜中注入较低剂量的杂质离子，然后对薄膜进行700~1000℃下真空退火，即得所述n型纳米金刚石薄膜。本发明专利技术所述杂质离子在薄膜中的浓度为1015～1017cm-3，纳米金刚石晶粒尺寸为3~6nm，纳米金刚石晶粒中的缺陷浓度约为1010~1012?cm-3；该薄膜为电阻率低、Hall迁移率高的n型纳米金刚石薄膜，对实现纳米金刚石薄膜在半导体器件、场致发射显示器、电化学等领域的应用具有十分重要的科学意义和工程价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及。
技术介绍
金刚石具有禁带宽和载流子迁移率高等优异的物理性能，相比硅等电子材料，它可在高温、高辐射及恶劣化学环境中使用。但目前金刚石并未在微电子工业中获得应用，关键原因是很难制备低电阻率高迁移率的n型金刚石薄膜，从而难于制作pn结等原型器件。成功制备高电导率的n型金刚石薄膜，实现金刚石在微电子工业中的应用，可能引发电子工业的革命，具有极其重要的理论和应用价值。多年来，众多研究者从理论计算和实验上寻找有利于获得低电阻率n型金刚石的杂质元素和掺杂方法。主要的杂质元素有氮、磷、硫、锂等，通过在生长过程中或采用离子注入方法使各种杂质掺入到单晶金刚石或微晶金刚石薄膜(薄膜中的金刚石晶粒尺寸为微米级)中，但都没有获得良好的效果，掺杂后的金刚石薄膜电导率低，电子迁移率低，难以用作电子器件。近年来，随着金刚石薄膜制备技术的发展，纳米金刚石薄膜已经制备成功。纳米金刚石薄膜具有优异的物理性能，如硬度高，摩擦系数小，场发射阈值低等。纳米金刚石薄膜的电导率ri0_6⑶cm)—1)比微晶金刚石薄膜高3 7个数量级，但其仍然由于电导率过低而很难应用于电子工业中。因此，制备高电导率高迁移率的n型纳米金刚石薄膜，对实现其在半导体器件、场致发射显示器、电化学等领域的应用具有十分重要的科学意义和工程价值。纳米金刚石薄膜的微结构与微晶金刚石薄膜(一般俗称为金刚石薄膜)有较大区另IJ，前者是纳米级金刚石晶粒镶嵌在非晶碳晶界中的复合结构，具有金刚石晶粒尺寸小于100 nm,晶界比例大等特征 ；后者的金刚石晶粒尺寸在微米级，晶界比例远小于纳米金刚石薄膜。众所周知，当材料的尺寸在纳米量级时，会具有块体材料所不具备的小尺寸效应、量子效应等特殊的物理性质。因此，在纳米金刚石晶粒中掺入施主杂质元素，其导电性能与同样掺杂的微晶金刚石薄膜相比，可能会有较大的不同；加之纳米金刚石薄膜中的晶界可以成为导电通道。因此，在纳米金刚石薄膜中掺入施主杂质元素，可望获得高电导率的n型金刚石薄膜。在申请人的授权专利” 一种n型纳米金刚石薄膜及制备方法”(ZL200910155306. 3)中，提出在纳米金刚石薄膜中注入施主杂质离子，获得了电阻率较低，迁移率较高的n型纳米金刚石薄膜，但是其迁移率还不是足够高，还有很大的提高空间。在该专利中(1)注入纳米金刚石薄膜的杂质离子为施主杂质离子，对其他杂质离子未做考虑；(2)施主杂质离子的剂量在IO14 IO16CnT2范围，这一剂量范围对尺寸在:T20 nm的金刚石晶粒造成较大的晶格损伤，影响薄膜的迁移率。因此，本专利拟在该研究结果的基础上，扩大注入离子的范围，调整注入离子的剂量，以期进一步提高离子注入纳米金刚石薄膜的迁移率，提高n型纳米金刚石薄膜的导电性能，对实现纳米金刚石薄膜在电子工业中的应用具有十分重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种高电导率高Hall迁移率的n型纳米金刚石薄膜及制备方法。本专利技术采用的技术方案是一种高迁移率(Hall迁移率在150 cm2 V^1 s^1以上)的n型纳米金刚石薄膜的制备方法，包括(1)在单晶硅衬底上制备纳米金刚石薄膜；(2)采用离子注入方法，在纳米金刚石薄膜中注入杂质离子；所述杂质离子为磷离子、氧离子、碳离子或硼离子，所述杂质离子的注入剂量为IO1卜1013cm_2、注入能量为9(T100 keV; (3)将离子注入后的薄膜真空退火，退火温度为70(Tl00(rC，即得所述高迁移率的n型纳米金刚石薄膜。按照本专利技术方法制得的n型纳米金刚石薄膜，其Hall迁移率均在150 cm2 V、—1以上，最高可达303cm2 V4S'优选的，所述杂质离子为氧离子、碳离子或硼离子。所述步骤(I)可按本领域常规方法进行，具体的，所述方法如下采用化学气相沉积设备，以丙酮为碳源，采用氢气鼓泡方式将丙酮带入到反应室中，反应温度60(T70(TC、反应时间5飞小时，制备得到厚度为3 m的纳米金刚石薄膜。本专利技术还涉及一种采用上述方法制备的高迁移率的n型纳米金刚石薄膜，由纳米金刚石薄膜中注入杂质离子得到，所述杂质离子为磷离子、氧离子、碳离子或硼离子，所述杂质离子在薄膜中的浓度为IO15 1017cm_3，杂质离子同时存在于薄膜的纳米金刚石晶粒和非晶碳晶界中；纳米金刚石晶粒中的缺陷浓度为101(1012 Cm_3;70(Tl00(rC退火后，纳米金刚石晶粒尺寸为:T6nm，纳米金刚石晶粒和晶界为薄膜提供150 cm2 V、—1以上迁移率的n型电导。 本专利技术的有益效果主要体现在(1)方法简单、易于操作；(2)采用离子注入方法将杂质离子(包括施主杂质、受主杂质、非掺杂特性杂质)同时掺入到纳米金刚石晶粒和晶界中，制备得到良好的n型导电的纳米金刚石薄膜，颠覆了只有施主杂质可以使半导体材料呈n型电导的传统观念，大大扩展了使得纳米金刚石薄膜呈n型电导的杂质范围。具体来讲，通常在单晶或微晶金刚石中掺入硼离子后，其导电类型为P型；而本专利技术在纳米金刚石薄膜中注入硼离子，并在一定温度退火后，薄膜呈良好的n型电导，迁移率较高。另外，在单晶或微晶金刚石中注入碳离子后，由于碳不能为薄膜提供多余的电子，因此碳离子注入金刚石的电学性能较差。而我们在纳米金刚石薄膜中注入碳离子，并在一定温度退火后，薄膜呈良好的n型电导，迁移率较高。(3)在纳米金刚石薄膜中注入较小剂量的杂质离子，减小较大离子剂量对纳米金刚石晶粒的晶格损伤，显著提高了薄膜的载流子迁移率；在金刚石的掺杂中，离子注入的剂量通常在IO14IO15 cm_2，而较低剂量的离子注入不易获得良好导电性能的金刚石薄膜。本专利技术在纳米金刚石薄膜中注入较低剂量的杂质离子，显著提高了薄膜的载流子迁移率(> 150cm2 fs—1)，得到了具有良好n型导电性能的纳米金刚石薄膜。(4)在70(Tl00(TC退火后，较小剂量注入的纳米金刚石晶粒尺寸变大，晶界宽度变窄，提高薄膜的迁移率；(5)制备获得的n型纳米金刚石薄膜电阻率低、Hall迁移率提高，对实现其在半导体器件、场致发射显示器、电化学等领域的应用具有十分重要的科学意义和工程价值。附图说明图1为低剂量氧离子注入纳米金刚石薄膜的场发射扫描电镜(FESEM)照片；图2为低剂量氧离子注入纳米金刚石薄膜的高分辨透射电镜(HRTEM)照片；图3为氧离子注入剂量为1012cm_2，在900°C真空退火后的纳米金刚石薄膜的Raman光谱；图4为氧离子注入剂量为1012cm_2，在500°C真空退火后的纳米金刚石薄膜的高分辨透射电镜(HRTEM)照片；图5为氧离子注入剂量为1012cm_2，在900°C真空退火后的纳米金刚石薄膜的高分辨透射电镜(HRTEM)照片；图6为氧离子注入剂量为1012cm_2，在1000°C真空退火后的纳米金刚石薄膜的高分辨透射电镜(HRTEM)照片。具体实施例方式下面结合具体实施例对本专利技术进行进一步描述，但本专利技术的保护范围并不仅限于此实施例1 :用纳米级金刚石粉打磨单晶硅片，打磨时间约半小时。打磨过的硅片经过超声机清洗后，作为纳米金刚石薄膜生长的衬底。采用热丝化学气相沉积方法(化学气相沉积设备购自上海交友钻石涂层有限 公司)，以丙酮为碳源，采用氢气鼓泡方式将丙酮带入到反应室中，反应室温度控制在60(T70(TC本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高迁移率的n型纳米金刚石薄膜的制备方法，包括：（1）在单晶硅衬底上制备纳米金刚石薄膜；（2）采用离子注入方法，在纳米金刚石薄膜中注入杂质离子；所述杂质离子为磷离子、氧离子、碳离子或硼离子；所述杂质离子的注入剂量为1011~1013cm?2、注入能量为90~100?keV；（3）将离子注入后的薄膜真空退火，退火温度为700~1000℃，即得所述高迁移率的n型纳米金刚石薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种高迁移率的n型纳米金刚石薄膜的制备方法，包括(I)在单晶硅衬底上制备纳米金刚石薄膜；(2)采用离子注入方法，在纳米金刚石薄膜中注入杂质离子；所述杂质离子为磷离子、氧离子、碳离子或硼离子；所述杂质离子的注入剂量为IO1卜1013cm_2、注入能量为9(T100 keV ；(3)将离子注入后的薄膜真空退火，退火温度为70(Tl00(rC，即得所述高迁移率的n型纳米金刚石薄膜。2.权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤(I)的制备方法如下采用化学气相沉积设备，以丙酮为碳源，采用氢气鼓泡方式将丙酮带入到反应室中，反应温度...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡晓君，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：