[发明专利]一种高迁移率n型超薄纳米金刚石薄膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高迁移率n型超薄纳米金刚石薄膜及其制备方法：采用热丝化学气相沉积方法(HFCVD)，在通过物理气相沉积(PVD)了过渡层的硅衬底上制备超薄纳米金刚石薄膜，过渡层的厚度为50‑100nm。以丙酮作为碳源，采用氢气鼓泡方式将碳源带入反应室腔体，生长时间约10‑30分钟，制备得到厚度200‑300nm的超薄纳米金刚石薄膜。对超薄纳米金刚石薄膜注入施主杂质离子，注入后的样品再进行低真空氧化退火，即得到所述具有新颖微结构的高迁移率n型超薄纳米金刚石薄膜。该结果对于实现金刚石薄膜在半导体器件、光电子领域、场发射显示器等领域的应用具有十分重要的意义和价值。

技术领域

本发明涉及一种高迁移率n型超薄纳米金刚石薄膜及制备方法。

背景技术

金刚石薄膜具有宽禁带、高热导率以及最高的介质击穿场强和载流子迁移率等优异的电学性能。然而，金刚石膜并没有实现其在半导体领域的应用。一方面是因为单晶金刚石膜的制备技术不够成熟，难以制备出高质量、大面积的异质外延金刚石膜；另一方面金刚石的n型掺杂十分困难，各种理论和实验研究都没能得到性能良好的n型金刚石薄膜。

多年来，众多研究者尝试在单晶金刚石和微晶金刚石薄膜中掺入杂质元素，期望获得高电导率的n型金刚石薄膜，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。

纳米金刚石薄膜具有金刚石晶粒和非晶碳晶界组成的复合结构，具有n型掺杂的潜力，在高温、高功率、高频电子元器件等领域，具有广阔的应用前景。我们在授权专利ZL201210594869.4和ZL 201510219422.2中，采用离子注入方法得到了迁移率较高的n型纳米金刚石薄膜。但是，离子注入只能将杂质离子注入到薄膜的近表面区域；如果薄膜的厚度较厚，表面区域以外的薄膜难以被掺杂，降低掺杂效率，影响薄膜电学性能。如能制备超薄的纳米金刚石薄膜，可以使离子充分注入到纳米金刚石薄膜中，提高薄膜电学性能。同时，纳米金刚石薄膜中的非晶碳晶界的导电性能较差，也影响了薄膜的电学性能。

本专利通过调整化学气相沉积工艺参数，制备了非晶碳晶界含量很少的纳米晶粒密堆积的超薄金刚石薄膜；并在薄膜中注入施主杂质离子；再在一定的温度下进行低真空退火，制备得到了高迁移率的n型超薄纳米金刚石薄膜，具有较重要的科学意义和实际价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有新颖微结构的高迁移率n型超薄纳米金刚石薄膜及其制备方法。

本发明采用的技术方案是：

一种具有新颖微结构的高迁移率(Hall迁移率最高可达到522cm²V^-1s^-1)的n型超薄纳米金刚石薄膜的制备方法，包括以下步骤：(1)采用物理气相沉积方法(PVD)在高阻硅衬底上沉积一层AlN过渡层，AlN厚度约为50-100nm；(2)通过热丝化学气相沉积方法(HFCVD)，在步骤(1)沉积了AlN过渡层的高阻硅衬底上制备超薄纳米金刚石膜，以丙酮作为碳源，采用氢气鼓泡方式将碳源带入反应室腔体，碳源流量40-100sccm，额外通入氢气流量150-240sccm，反应腔体内温度为700-900℃、热丝功率1800-2400W、生长过程中不施加偏压、生长时间10-30分钟，制备得到厚度200-300nm，晶粒尺寸在10-30nm的超薄纳米金刚石膜；(3)采用离子注入的方法，在步骤(2)得到的超薄纳米金刚石薄膜中注入施主杂质离子，得到离子注入后的薄膜；所述施主杂质离子为O、P或S离子；(4)将步骤(3)中得到的离子注入后的薄膜进行低真空氧化退火：真空度1000-7000Pa，退火温度700-1000℃，退火时间20-50分钟，即可得到所述具有新颖微结构的高迁移率(施主杂质离子为O、P、S离子对应迁移率分别达到522、401、119cm²V^-1s^-1)的n型超薄纳米晶粒密堆积金刚石薄膜。