[发明专利]一种具有晶粒密堆积结构的高迁移率n型纳米金刚石薄膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有新颖微结构的高迁移率n型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)，在单晶硅衬底上制备纳米金刚石薄膜。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，生长时间约40‑60分钟，制备得到厚度1‑3μm左右的纳米金刚石薄膜，晶粒尺寸10‑30nm，薄膜中非晶碳晶界含量非常少。对该晶粒密堆积纳米金刚石薄膜进行硫离子以及氧离子注入，注入后的样品再进行低真空退火，即得到所述迁移率普遍达到400cm²/V·s以上的n型纳米金刚石薄膜。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

本发明涉及一种具有晶粒密堆积结构的高迁移率n型纳米金刚石薄膜及制备方法。

背景技术

金刚石具有很宽的禁带宽度，这使得它成为继硅、锗等材料之后的新一代半导体材料，在机械、光电子、电化学、半导体等高新技术领域中有广阔的应用前景。但是，目前金刚石并未在微电子工业中获得应用，关键原因是很难制备低电阻率高迁移率的n型金刚石薄膜，从而难于制作pn结等原型器件。成功制备高电导率的n型金刚石薄膜，实现金刚石在微电子工业中的应用，可能引发电子工业的革命，具有极其重要的理论和应用价值。

多年来，众多研究者尝试在单晶金刚石薄膜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优异的物理性能，如硬度高，摩擦系数小，场发射阈值低等；并且纳米金刚石薄膜具有独特的微结构，纳米尺寸的金刚石晶粒镶嵌在非晶碳晶界中。这样的微结构使纳米金刚石薄膜具有比微晶和单晶金刚石薄膜更好的掺杂潜力。

在薄膜生长过程中掺杂或离子注入是比较常用的在金刚石薄膜中加入其他元素的方法。目前大部分研究都是围绕在生长过程中掺杂进行的，掺杂的杂质主要有硼、氮、磷、氧、硫等。遗憾的是通过此类方式获取的金刚石薄膜电阻率高，载流子浓度低，迁移率不高，无法达到应用要求。

离子注入是在已经生长好的金刚石薄膜上通过特殊装置将掺杂元素的离子注入，这种方式较生长过程中掺杂的优点在于，可以通过控制注入的能量和时间控制杂质在金刚石薄膜中的密度和分布。在我们的授权专利ZL 201210594869.4，ZL 201510219422.2中，在纳米金刚石薄膜中注入磷离子或氧离子，获得n型电导，且迁移率较高，达到684cm²/V·s。但这些薄膜的电学性能还有很大的提升空间，薄膜的迁移率还可以进一步提高，面电阻率也可以再降低。同时，已有的方法中，主要对普通的纳米金刚石薄膜进行离子注入，这类纳米金刚石薄膜由纳米金刚石晶粒和明显的非晶碳晶界组成，大量的非晶碳晶界阻碍了薄膜电学性能的进一步提高。为了提高薄膜的电学性能，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金刚石薄膜；并在薄膜中分别注入硫离子和氧离子；纳米晶粒密堆积金刚石薄膜中的晶界含量少，因此注入的硫离子或氧离子会集中于纳米金刚石颗粒内部而不是晶界中，有利于提高薄膜的n型电导。控制离子注入的时间和能量，并在一定的温度下进行低真空退火，以制备获得高迁移率的n型纳米金刚石薄膜，迁移率在常温下基本高于400cm²V^-1s^-1，最高可以达到～1007.1cm²V^-1s^-1，使金刚石更好地应用在半导体领域，具有重要的意义。

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型纳米金刚石薄膜及其制备方法。

本发明采用的技术方案是：