[发明专利]掺氮纳米金刚石薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体和场发射材料的制备方法，特别是掺氮纳米金刚石薄膜的制备方法。

背景技术

金刚石薄膜是一种理想的半导体和场发射材料。与Si、GaAs、SiC等相比，其在热学、光学、声学、电学等方面具有更为优异的综合性能，因而在微电子、光电子、航空航天、核能、军事等领域有着十分广阔的应用前景。目前，以硼为掺杂剂、用化学气相沉积(CVD)法生长的p型金刚石薄膜半导体(激活能0.37eV，电阻率最小已达到10^-2Ω·cm，空穴迁移率达1500cm²V^-1s^-1)已能满足器件应用要求，但n型金刚石薄膜的合成远达不到p型金刚石膜的水平，而高电导率的n型掺杂金刚石膜对于金刚石在场发射及半导体方面的应用又至关重要。

通过制备纳米金刚石膜并对其掺N是提高金刚石薄膜材料电子电导率、改善电子场发射性能的有效途径。美国阿贡国家实验室的D.M.Gruen以Ar、CH₄、N₂为反应气源首先制备出电子导电的n型纳米金刚石薄膜；在此基础上Jame也以CH₄、Ar的混合气体中加入N₂为氮掺杂源，用微波等离子体化学气相沉积法得到了电导率为10²Ω^-1cm^-1的n型纳米金刚石薄膜。Corrigan等同样在生长金刚石薄膜的碳源气氛(CH₄+Ar)中加入氮气，结果得到了氮浓度为8×10²⁰/cm³、晶粒尺寸为5～15nm的n型纳米金刚石薄膜，其电子场发射特性也有显著的改善，UV拉曼谱和电子能量损失谱(EELS)测试结果显示添加氮的金刚石薄膜比不添加氮的薄膜中含有更多的sp²键，说明氮可增加薄膜中sp²结构的含量，氮优先进入晶界位置并促进sp²键的形成，而且sp²结构相会改善电子导电和发射特性。美国Okan则用(NH₂)₂CO为掺杂源、同样通过微波等离子体化学气相沉积技术制备出掺N浓度高达10²⁰/cm³的n型纳米金刚石薄膜材料，但对其电导率没有具体的报道。总体而言，尽管n型纳米金刚石膜在掺N的浓度上已达较高水平，但其掺氮方法掺杂源中单独加入氮气，从而对薄膜生长产生影响(使石墨含量增多)，使得电子电导率性能指标还很低，仍无法完全满足作为场发射及半导体材料的要求。

发明内容

本发明的目的在于在于克服上述现有技术的不足，提供一种在微波等离子体化学气相沉积反应中无须单独加入氮气掺氮，能在获得高质量纳米金刚石膜的同时提高氮的掺入量，电子电导率大，迁移率也较高的掺氮纳米金刚石薄膜的制备方法。

本发明的解决方案是：一种掺氮纳米金刚石薄膜的制备方法，其特点是包括以下骤：

a、以硝基苯甲醛、C₆₀、氨基酸为原料，合成得到C₆₀含氮衍生物；

b、将C₆₀含氮衍生物溶入甲苯中形成甲苯溶液，甲苯溶液中C₆₀含氮衍生物摩尔浓度为0.15％～0.55％，并将其放入液态源容器中；

c、将单晶硅基片放入微波等离子体反应腔中的样品台上，开启微波发生器，并向液态源容器通入氩气，通过液体鼓泡法用氩气将C₆₀含N衍生物分子载入反应腔中并在微波能激励下共同形成等离子体金刚石薄膜；其中氩气流量为200～400mL/min，微波功率1200W～1300W，气体压力保持10000～13000Pa，并维持4～5h。