[发明专利]一种过渡族金属元素与氮共掺杂生长金刚石的方法

说明书

一种过渡族金属元素与氮共掺杂生长金刚石的方法，属于金刚石化学气相沉积技术领域。利用双频射频等离子体化学气相沉积设备进行制备，高频射频源频率范围为10MHz～30MHz，低频射频源频率范围为1MHz～8MHz，高频射频源与低频射频源的频率比为3.39。在气体供给中加入氨气或氮气，将过渡金属粉末或线材置于石墨坩埚中，反应气体为氩气，氢气，甲烷和氨气或氮气，在沉积过程中，通入氨气或氮气，并利用运动机构将坩埚移动到等离子体束流附近，过渡族金属元素原子挥发进入等离子体中，并与其中的氮元素混合，运送到衬底，实现共掺杂金刚石的生长。

技术领域

本发明属于金刚石化学气相沉积技术领域，特别是提供了一种过渡族金属元素与氮共掺杂生长金刚石的方法，利用双频射频等离子体射流和运动机构进行过渡族金属与氮共掺杂的沉积方法，可应用于共掺杂金刚石的生长。

背景技术

科技发展对材料性能的要求越来越高，尤其是量子通讯和半导体领域，传统的硅基半导体材料已经不能满足。金刚石以其优异的性能在电子器件领域具有很大的应用潜力(Gracio J J等，Journal of Physics D Applied Physics,37(2010)，374017)。为实现金刚石的电子器件方面的应用，掺杂技术是面临的首要问题。通过掺杂，金刚石可以实现不同的性能。目前研究比较多的是通过硼掺杂获得p型半导体，以此为基础制备金刚石电子器件，如肖特基二极管，金刚石场效应二极管等(Umezawa H等，Diamond and RelatedMaterials,2-3(2010)，208-12.Pham T T等，Applied Physics Letters,17(2017)，173503)。金刚石掺杂的另一个前景在于其色心应用。通过掺杂适当的杂质元素，可以获得不同特征波长金刚石色心结构，作为单光子源，在凝聚态物理、量子计算、量子通讯、量子传感等领域有着广泛而巨大的应用价值(Tallaire A等，Applied Physics Letters,14(2017)，143101，Casola F等，Nature Reviews Materials,1(2018)，17088)。目前金刚石掺杂的主要手段有两种，一种是离子注入，能够定点获得掺杂效果，但是该方法的高能粒子束对样品的损伤比较大。另一种方法为生长过程中的掺杂，通过在化学气相沉积过程中适当的加入目标元素，可以实现金刚石均匀可控的掺杂生长。目前的该方法的研究主要集中在氮、硅、硼、磷等非金属元素上，这些元素容易获得气态源，有利于掺杂的进行。现阶段，NV色心因发光稳定，相干时间长，获得相对方便等原因的研究最多，发展最迅速。(Taylor J M等，Nature Physics,4(2008,810)但是NV色心声子伴带强且宽，只有有4％的荧光效率贡献给零声子线，所以仍不是最理想的单光子源(Tamarat P等，Physical review letters,8(2006)，083002)。研究人员在高温高压金刚石和天然金刚石中，发现了更多的发光中心，如CrV，NiSi，NE₈等，极大的丰富了金刚石的单色光范围，为金刚石色心的应用提供了更多的可能(Aharonovich I等，Advanced Optical Materials,10(2015)，911-928,)。

但是，过渡族金属难以获得理想的气态源，其与氮元素组合产生的色心也很难用离子注入的方法获得。而目前化学气相沉积方法进行制备的研究比较少，基本上是利用微波法沉积金刚石过程中金属放置在衬底上的热扩散进行，过程不可控(Wolfer M等，Physica Status Solidi,9(2010)，2012-2015.)。为拓展掺杂金刚石的种类与应用，急需新的制备方法来实现过渡族金属与氮元素共掺杂金刚石的制备。

发明内容

本发明的目的在于提供一种过渡族金属元素与氮共掺杂生长金刚石的方法，利用双频射频等离子体化学气相沉积设备进行。在气体供给中加入氨气或氮气，将过渡金属粉末或线材置于石墨坩埚中，在沉积过程中，利用运动机构将坩埚移动到等离子体束流中，被等离子体加热，过渡族元素的原子挥发进入等离子体与其中的氮元素混合，随流场运送到衬底，实现共掺杂金刚石的生长。本发明为金刚石的共掺杂提供一条新的途径。