[发明专利]一种降低氢终端金刚石欧姆接触电阻的方法

说明书

一种降低氢终端金刚石欧姆接触电阻的方法，属于金刚石电子器件领域。本发明采用微波等离子体化学气相沉积，以甲烷、氢气为反应气体，在单晶金刚石衬底上外延一层金刚石薄膜，随后在氢等离子体氛围中处理，使金刚石表面形成氢终端，之后放置于大气环境中。然后根据线性传输模型，进行光刻工艺，调节飞秒激光器，使激光聚焦在样品表面以下1μm范围内，调整激光照射功率、频率范围、扫描周期，在氢终端金刚石亚表层产生石墨相。最后采用电子束蒸镀、热蒸镀或磁控溅射制备金属电极，之后进行快速退火处理，最终制得测试所需的欧姆电极图案。本发明方法结合了石墨的高电导性来降低金属与金刚石间的接触电阻，从而改善了金刚石基电子器件的欧姆接触特性。

技术领域

本发明涉及金刚石电子器件领域，尤其涉及一种降低氢终端金刚石欧姆接触电阻的方法。

背景技术

未掺杂的氢终端金刚石具有负的电子亲合势，当进一步暴露于空气中时，可显示出高的p型表面电导率，这一发现使得基于金刚石的器件如场效应晶体管和pH传感器的制造成为可能。氢终端金刚石的导电性是基于表面C-H键的极化作用与表面的低化学势吸附层而形成的空穴导电层。其中，表面C-H键及表面吸附的活性离子层极易受到外界环境和金刚石表面微结构的影响，从而导致空穴浓度的变化。

飞秒激光是一种具有极短脉冲，超高能量的激光，持续时间从几个飞秒到几百飞秒范围，具有非常高的瞬时功率。对于10fs、10mJ的激光脉冲来讲，其瞬间功率可达10¹²w以上。当总激光强度F超过某一阈值时，非线性光学交互作用及晶格本征固有光吸收作用会使金刚石晶格温度迅速上升从而产生相变，形成石墨相。石墨的导电能力远高于金刚石，在电极接触区金刚石亚表面产生的石墨相将有助于降低其接触电阻，从而获得更为理想的欧姆接触。

文献(Diamond&Related Materials 92(2019)18-24)中提出了使用离子注入的方法使金刚石内部产生石墨化层，高能离子在注入过程中会对金刚石表面造成损伤，从而破坏金刚石的氢终端。利用C-C键(332kJ/mol)与C-H键(414kJ/mol)的键能差值，在氢终端金刚石表面进行飞秒激光辐照，产生的激光场可将金刚石内部的C-C键价电子激发到激发态，温度场将价电子激发到激发态的C-C键断裂，而C-H键保持完好。随后，在激光处理后的氢终端金刚石表面蒸镀电极，退火处理形成欧姆接触。相比于专利(CN201810602792.8)中金刚石石墨化的方法，本发明使用的飞秒激光辐照对金刚石材料内部产生的损伤较小，对氢终端金刚石表面本身的导电性影响也较小。

发明内容

本发明的目的是对氢终端金刚石表面进行飞秒激光辐照处理，使得金刚石亚表面层C-C键断裂形成石墨相，从而降低其与金属电极的欧姆接触电阻。

本发明的主要特点在于使用飞秒激光对氢终端金刚石进行辐照处理，保留C-H键而使得C-C键断裂产生石墨相，提高金刚石的电导率。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案及步骤。

一种降低氢终端金刚石欧姆接触电阻的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)氢终端金刚石薄膜的制备

首先使用H₂SO₄:HNO₃对单晶金刚石衬底酸洗，然后使用丙酮、乙醇、去离子水依次超声清洗。将清洗好的单晶金刚石衬底放入反应腔中，用氢等离子体刻蚀。然后通入CH₄气体，维持温度生长一段时间后关闭CH₄气体，用氢等离子体处理后关闭H₂自然冷却至室温，形成氢终端。将生长后的氢终端金刚石放置于空气中24h以上。

2)飞秒激光辐照处理

根据线性传输模型，进行光刻工艺，调节飞秒激光器，使激光聚焦在氢终端金刚石亚表面，调整激光照射功率、频率范围、扫描周期，破坏氢终端金刚石亚表面C-C键，产生石墨相；