[发明专利]金刚石氮-空位色心阵列传感器

说明书

本发明公开了金刚石氮‑空位色心阵列传感器，涉及一种金刚石半导体传感器，包括传感器、金刚石衬底、金刚石外延层、NV色心层、纳米柱阵列结构和纳米柱阵列天线，所述传感器底端具有金刚石衬底，在所述金刚石衬底正面上有一层金刚石外延层，所述金刚石外延层是n型半导体，所述金刚石外延层表面存在采用原位MPCVD生长方式得到NV色心层，所述传感器NV色心层中NV色心的取向得到了择优取向，其中NV色心层具有10nm和50nm之间的厚度，所述金刚石外延层即传感接触层结构为纳米柱阵列结构，述传感接触层纳米柱包括金刚石纳米柱、介质层和金属层，所述介质层淀积在金刚石纳米柱表面，所述金属层淀积在介质层表面。

技术领域

本发明涉及一种金刚石半导体传感器，具体是金刚石氮-空位色心阵列传感器。

背景技术

传感器在生产生活中的地位日趋重要，我们可以通过传感器观测到的物理量来反推出 其数值和方向，在微纳尺度下对光、热、电、磁和力等物理量的获取则对传感器的灵敏度 和空间分辨率提出了更高的要求。第三代半导体材料例如氮化镓、碳化硅和金刚石等都是 国际上研究的热点，但其中金刚石表现出了更优越的性能。金刚石具有高硬度和高导热的 特点，同时有5.5eV的超宽禁带以及非常高的电子和空穴迁移率。

由于可以较为容易地操控和读出金刚石材料中NV色心的状态，并使其状态保持较长 时间，故含有NV色心的金刚石材料可以作为单光子发射源、探测器和基于色心自旋的量子传感器。单个或多个NV色心自旋的尺寸处于纳米量级，且对外界多种物理量之间耦合 作用的扰动有明显响应，因此可以利用这种响应机制来实现纳米量级的空间分辨率和极高的灵敏度。

金刚石中NV色心的自旋状态可以利用微波信号扫描+光学探测磁共振(ODMR)手段调控 和读取，传统ODMR测试为正向激发和正向探测，NV色心位于金刚石与空气的界面处。但 在需要接触探测时，待测物无法保证光学透明，同时也在镜头和NV色心之间形成了额外的光学层，使得探测光读出效率更加复杂。这些都导致传统的ODMR测试，即正向激发正 向探测的配置具有很大局限性。

金刚石纳米阵列结构也是金刚石重要应用的研究方向之一，相关结构有近年来兴起的 金刚石纳米锥、纳米线、纳米棒等结构。金刚石的较大折射率抑制了近表面光子发射的有 效光输出耦合，将微纳结构技术应用于金刚石表面之后，纳米柱阵列可以作为光子波导， 进而显著提高外部接收率。CN 104724664 A公布了这种正向单晶金刚石纳米柱阵列结构的 制备方法，所述方法采用了自组装工艺。在《用于金刚石NV中心的高效光学读出和光电 子控制的GaN纳米线阵列》(“GaN Nanowire Arrays for Efficient Optical Read-Outand Optoelectronic Control of NV Centers in Diamond”,作者M.Hetzl等，该篇发 表于2018年的Nano Letters)文中，介绍了采用氮化镓正向纳米柱阵列结构，NV色心位 于金刚石衬底与氮化镓纳米柱之间，但这种结构仅适用于传统ODMR测试，在进行接触探 测时同样具有局限性。

为此，我们提出了金刚石氮-空位色心阵列传感器。

发明内容

1.要解决的问题

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供金刚石氮-空位色心阵列传感器， 来解决上述背景技术中提到的问题。

2.技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

金刚石氮-空位色心阵列传感器，包括金刚石衬底，所述金刚石衬底为单晶金刚石， 并对金刚石衬底表面进行氮掺杂同时控制掺杂层厚度，以形成金刚石外延层和NV色心层。

所述金刚石外延层和NV色心层可以通过包括但不限于此两种实施方式实现，包括实 施方式一微波等离子化学气相沉淀法(MPCVD)获得掺氮金刚石、实施方式二高温高压退火处理合成氮掺杂金刚石。