[发明专利]金刚石纳米晶/氮掺杂碳化硅界面相的n型半导体复合薄膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种金刚石纳米晶/氮掺杂碳化硅界面相的n型半导体复合薄膜及其制备方法，属于复合薄膜材料领域；该方法制得的复合薄膜由晶粒相和晶粒间相两部分组成，其中晶粒相为纳米或者超细纳米金刚石晶粒；晶粒间相（界面相）是氮原子置换碳原子的碳化硅晶粒相或者非晶相；晶粒间相（界面相）在金刚石晶粒之间形成分隔层；该复合薄膜具有n型半导体性能；复合薄膜的制备包括在基底表面植入高密度分布的晶种，利用微波等离子气相沉积形成金刚石晶核，共同沉积金刚石晶粒相和氮掺杂碳化硅界面相，生长出纳米金刚石复合薄膜，以及进行热处理消除薄膜应力和均化晶粒尺寸。

技术领域

本发明属于复合薄膜材料领域，特别涉及一种金刚石纳米晶/氮掺杂碳化硅界面相的n型半导体复合薄膜及其制备方法。

背景技术

金刚石是一种性能特殊的材料，它是自然界中硬度最高（约为90GPa）、杨氏模量最大（1100GPa）的材料，它的传声速度最快（18.2km/s），它的透光频率宽度宽（从200nm的紫外光到微波），它的禁带宽度大（5.4eV），空穴迁移率大；基于这些特性，天然金刚石、人造金刚石颗粒及金刚石膜具有广泛的应用领域。

现有技术，金刚石的合成方法有静压法和化学气相沉积法；与静压法合成的金刚石单晶相比较，化学气相沉积（CVD）金刚石膜可以制成尺寸较大的面积；这为金刚石膜在热学、光学和电子学领域的应用提供了基础；常规CVD金刚石膜由微米级柱状多晶组成，表面较粗糙；而纳米金刚石膜中的晶粒尺度为几到几十个纳米，其表面光滑、摩擦系数小；因此，纳米金刚石膜在摩擦磨损、光学涂层、场发射、MEMS和电化学应用等方面有突出的优越性;

CVD金刚石膜具有良好的半导体性质，例如高导热性（2000W/m·K），高击穿电场（10MV/cm）和高载流子迁移率（3000cm2/V·s），因而被认为是一个良好的宽禁带半导体材料；研究发现，通过硼掺杂可以获得性能良好的p型金刚石半导体材料，但是，构建金刚石n型半导体材料却遇到很大的挑战。

现有技术，一般通过掺杂V族和VI族元素作为电子施主的方法来制备n型金刚石，试图得到性能良好的半导体材料；其中，氮作为天然和人工合成金刚石中含量最多的杂质得到了科学家们的广泛关注；然而，由于氮原子具有较强电负性，当氮置换掺杂进金刚石中与周围四个碳原子形成4C-N构型时，未配对电子被束缚在氮原子附近，因此导致了氮作为施主缺陷时，n型金刚石具有导带下1.7eV(E_C-1.7eV)很深的缺陷能级；这严重影响了室温下的电导率，导致其无法作为性能良好的半导体材料；此外，研究者们还发现许多具有浅缺陷能级的n型掺杂元素如P(E_C-0.6eV)，S(E_C-0.38eV)，As(E_C-0.50eV)，Sb(E_C-0.48eV)，Li(E_C-0.1eV)。然而即使拥有较浅的施主能级，这些掺杂剂依然存在低掺杂浓度，形成的缺陷络合物导致晶格畸变等缺点，都会使金刚石的载流子浓度、电子移动以及电导率变低。

针对上述现有单一元素掺杂的种种问题，研究者们再次提出使用二元素共掺的方法；如2003年Segev等人采用第一性原理计算出Si₄N的四面体掺杂金刚石可以使氮掺杂金刚石的缺陷能级极大的变浅到0.09eV；再如2006年至2007年Goss等人仔细研究Si₄N掺杂金刚石；其结果表明，Si₄N组合的施主能级比磷（P）的施主能级（0.5-0.6eV）要更深0.1eV，而且Si₄N掺入金刚石晶粒的形成能很大（16eV）；因此，Goss认为，硅氮（Si-N）共掺杂不太可能从Si₄N配合物的形成中产生n型电导率。

发明内容