[发明专利]一种氮化硼表层覆盖的NV色心金刚石、其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种氮化硼表层覆盖的NV色心金刚石、其制备方法和应用。本发明提供的方法采用金刚石（111）面，通过MPCVD工艺制作完成。本发明制备的面向NV色心的氮化硼覆盖的金刚石表面具有正电子亲和能，NV色心取向优势，无禁带中间能级，表面无磁性等优点。这些优点可以弥补金刚石本身的缺陷，从而更好的运用于量子传感领域。本发明基于第一性原理和密度泛函理论，详细论述了面向NV色心的氮化硼覆盖的金刚石表面的具体优势。本发明制备的氮化硼覆盖金刚石表面，为金刚石用于量子传感提供了一种全新的方法和思路。

技术领域

本发明属于半导体器件技术领域，尤其涉及一种氮化硼表层覆盖的NV色心金刚石、其制备方法和应用。

背景技术

金刚石具有5.47eV的宽带隙，在电学、光学和热学领域具有广阔应用前景。目前，制造金刚石的高温高压法和气相沉积法已经逐渐成熟；与此同时，在制造金刚石过程中，我们可以通过通入氮气等方法制造含有负电荷氮空位（NV色心）金刚石。NV色心金刚石已成为量子通信和纳米级传感应用的重要工具。NV色心金刚石具有室温自旋极化，可单自旋读取和可制备成纳米结构的优点。在量子传感的相关应用中，NV色心应放置在尽可能靠近金刚石表面的位置以保持磁感应的灵敏性，且将NV色心的光激发光有效地耦合到光子波导并有效感应纳米级对象。

目前尚未见通过改变金刚石表面结构，进而改变金刚石的电子亲和能、能带结构，以使得金刚石更适于制造NV色心量子传感器。

发明内容

针对目前NV色心的金刚石应用于量子传感所存在的缺陷，本发明提出以立方氮化硼覆盖金刚石表面的方法，来改善金刚石表面电学性能，从而更好的应用于基于NV色心的量子传感。

本发明提供的技术方案如下：

一方面，本发明提供一种氮化硼表层覆盖的NV色心金刚石的制备方法，包括以下步骤：

S1：选择晶面弯曲较小的HTHP或者MPCVD金刚石（111）衬底进行预处理去除表面杂质；

S2：将经过表面预处理后的金刚石（111）面衬底放入MPCVD腔室，控制衬底温度、MPCVD设备功率、甲烷/氢气流量比和腔室气压，通入氧气，进行金刚石（111）的生长；

S3：金刚石生长至0.4~0.6mm时，通入氮气，控制衬底温度、MPCVD设备功率和腔室压强，掺入氮元素，制成含有N元素的金刚石；

S4：将含有N元素的金刚石进行真空退火得到含有NV色心的金刚石；

S5：通过原子层沉积设备，控制沉积温度控和腔室气压，首先在含有NV色心的金刚石表面沉积一层N原子，然后沉积一层B原子，形成N-B终端金刚石表面；

S6：通过原子层沉积法，控制温度和压强，将形成N-B终端金刚石表面再沉积一层H原子或F原子，形成N-B-H或N-B-F覆盖的金刚石。

进一步，所述步骤S2中，控制衬底温度高于900℃，MPCVD设备的微波功率为5~10kW，甲烷/氢气流量比为1%~10%，腔室气压100~500torr，氧气浓度为1~5sccm。

进一步，所述步骤S3中，氮气浓度为1~10sccm，温度高于900℃，压强为100~500torr，MPCVD设备的微波功率为5~10kW。

进一步，所述步骤S4中，退火温度为1000 ~1100℃。

进一步，所述步骤S5中，沉积温度为300-350℃，腔室气压100~500torr。

进一步，所述步骤S5中沉积N原子的方法为：以N原子束为原料，用原子层沉积法沉积N原子；沉积B原子的方法为：以B原子束为原料，用原子层沉积法沉积B原子。

进一步，所述步骤S6中，温度控制在250 ~350℃，压强100~500torr。