[发明专利]一种n型纳米金刚石薄膜及制备方法

说明书

(一)技术领域

本发明涉及一种n型纳米金刚石薄膜及其制备方法。

(二)背景技术

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(～10^-6(Ωcm)^-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。在纳米金刚石薄膜中掺入施主杂质元素，制备出高电导率的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有较大区别，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 100nm，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(能够释放电子而产生导电电子并形 成正电中心的杂质称为施主杂质。参见《半导体物理学》P47，电子工业 出版社，刘恩科，朱秉升，罗普生编著，2008年)，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，但目前国内外在这方面的研究较 少。

国外在纳米金刚石薄膜的化学气相沉积过程中掺入氮，较系统地研究 了氮掺杂纳米金刚石薄膜的微结构和导电性能。结果表明，氮不是制备高 电导率高Hall迁移率n型纳米金刚石薄膜的合适掺杂源。氮趋向于优先 占据薄膜中的晶界位置而不是进入纳米金刚石晶粒中，即氮很难在化学气 相沉积过程中掺入金刚石晶格；由于氮是金刚石中的深能级杂质，其在金 刚石中的室温激活能为1.7eV，室温下它很难为金刚石提供n型电导所需 的电子。因此，氮掺杂纳米金刚石薄膜中的电导主要来自于薄膜中晶界的 电导，而纳米金刚石晶粒对薄膜中的电导贡献不大。这种导电方式使薄膜 具有电导率和载流子浓度高，但是载流子迁移率很低的n型导电特征。低 的载流子迁移率使氮掺杂纳米金刚石薄膜中难以形成整流和放大器件需 要的耗尽层，很难用于电子器件的制作，极大地限制了它在电子工业上的 应用。因此，同时提高纳米晶粒和晶界的导电能力，制备高电导率高Hall 迁移率的n型纳米金刚石薄膜，对实现纳米金刚石薄膜在电子工业上的应 用具有重要意义。

(三)发明内容

本发明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。

本发明采用的技术方案是：

一种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施 主杂质离子；(3)将离子注入后的薄膜真空退火，即得所述n型纳米金刚 石薄膜。本发明使用离子注入方法完成掺杂步骤，将施主杂质离子掺入到 纳米金刚石晶粒和晶界中，同时提高纳米金刚石晶粒和晶界的导电能力， 避免了在化学气相沉积掺杂过程中杂质集中在晶界而不能掺入到纳米金 刚石晶粒中的缺点，并进行真空退火，获得电阻率较低、Hall迁移率较高 的n型纳米金刚石薄膜，所述施主杂质离子为本领域常规可用于掺入金刚 石薄膜的离子，如磷离子、氧离子、硫离子等。