一種提高硼摻雜納米金剛石薄膜p型導(dǎo)電性能的方法
【專利說明】
(一)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種提高硼摻雜納米金剛石薄膜P型導(dǎo)電性能的方法。
(二)
【背景技術(shù)】
[0002]金剛石具有優(yōu)異的物理性能，如寬禁帶、高電子和空穴迀移率、高熱導(dǎo)率、高硬度、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、低摩擦系數(shù)、低介電常數(shù)、良好的光學(xué)透射性和化學(xué)穩(wěn)定性，使其在機(jī)械、熱學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)及半導(dǎo)體等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，可望成為高溫與復(fù)雜環(huán)境應(yīng)用的半導(dǎo)體材料。在微晶金剛石薄膜中摻入硼雜質(zhì)，可以得到具有良好導(dǎo)電性能的P型金剛石薄膜，是一種極佳的半導(dǎo)體材料。納米金剛石薄膜是由納米金剛石晶粒和非晶碳晶界形成的復(fù)合薄膜。它除了具有常規(guī)金剛石的優(yōu)異性質(zhì)外，還具有表面連續(xù)光滑、比表面積大等特點(diǎn)。在納米金剛石薄膜中摻入硼雜質(zhì)，可望制備得到具有比硼摻雜微晶金剛石薄膜更優(yōu)異的P型導(dǎo)電性能的薄膜，在納米電子器件和電化學(xué)電極等方面具有較好的應(yīng)用前景。
[0003]目前的研宄表明，采用CVD方法制備的硼摻雜納米金剛石(BDND)薄膜的電阻率數(shù)量級(jí)在1-2 Ω Cm，載流子濃度數(shù)量級(jí)在1015-1021cnT3，Hall迀移率為0.13-2.llcmW1?？梢钥闯觯潆娮杪瘦^低，Hall迀移率也較低，導(dǎo)電性能較摻入相同濃度硼的微晶金剛石薄膜差，難以用作電學(xué)器件。
[0004]納米金剛石薄膜中存在大量晶界和缺陷，在化學(xué)氣相沉積過程中，硼原子趨向于優(yōu)先占據(jù)納米金剛石薄膜的晶界位置，而進(jìn)入到納米金剛石晶粒中的硼較少，使得納米金剛石晶粒對(duì)導(dǎo)電的貢獻(xiàn)很小。因此，硼摻雜納米金剛石薄膜的電導(dǎo)主要來自于薄膜中晶界的電導(dǎo)，薄膜的電學(xué)性能較差。同時(shí)，納米金剛石薄膜晶界中存在大量的氫，影響薄膜的導(dǎo)電性能。因此，提高硼摻雜納米金剛石薄膜的迀移率和P型導(dǎo)電性能，是實(shí)現(xiàn)其在電子工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵。
[0005]申請(qǐng)人的研宄發(fā)現(xiàn)，真空退火處理對(duì)BDND膜的微結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能有重要影響，在1000°C真空退火0.5h后的BDND膜具有較好的電學(xué)性能，并且薄膜表面的氫發(fā)生了解吸附，部分非晶碳晶界轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸?。在這個(gè)相變過程中，位于晶界的硼通過相變摻入到納米金剛石晶粒中，提高了納米金剛石晶粒的硼含量，從而提高了薄膜的P型導(dǎo)電性能，我們將此摻雜機(jī)制稱為“相變摻雜”。申請(qǐng)人的研宄還發(fā)現(xiàn)，將未摻雜的納米金剛石薄膜在600°C的空氣中氧化30min，可以有效提高薄膜表面的金剛石含量，即熱氧化也會(huì)使得薄膜中發(fā)生非晶碳晶界轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸嗟南嘧?；并且熱氧化后，薄膜表面的氫終止轉(zhuǎn)變?yōu)檠踅K止，薄膜表面形成π-π*鍵，極大地提高了薄膜的導(dǎo)電性能。因此，本專利中，我們擬將硼摻雜的納米金剛石薄膜在一定溫度的空氣中氧化，結(jié)合相變摻雜提高納米金剛石晶粒的導(dǎo)電性和氧化形成π - Ji *鍵的導(dǎo)電作用，提高薄膜的P型導(dǎo)電性能。
[0006]在申請(qǐng)人的授權(quán)專利“一種η型納米金剛石薄膜及制備方法”(ZL200910155306.3)中，提出在納米金剛石薄膜中注入施主雜質(zhì)離子，并對(duì)薄膜進(jìn)行真空退火處理，獲得了電阻率較低，迀移率較高的η型納米金剛石薄膜。該專利涉及離子注入、真空退火及薄膜的η型導(dǎo)電性能，并未涉及薄膜的P型導(dǎo)電性能。本申請(qǐng)對(duì)納米金剛石薄膜進(jìn)行不同濃度的硼摻雜，然后對(duì)硼摻雜納米金剛石薄膜進(jìn)行空氣中的氧化處理，提高了硼摻雜納米金剛石薄膜的P型導(dǎo)電性能。目前熱氧化處理對(duì)提高硼摻雜納米金剛石薄膜的電學(xué)性能等研宄未見報(bào)道。
(三)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是提供一種提高硼摻雜納米金剛石薄膜P型導(dǎo)電性能的方法，獲得具有良好導(dǎo)電性能的硼摻雜納米金剛石薄膜。
[0008]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0009]一種提高硼摻雜納米金剛石薄膜P型導(dǎo)電性能的方法，所述方法包括以下步驟:
[0010](I)采用熱絲化學(xué)氣相沉積方法，在單晶硅襯底上制備硼摻雜納米金剛石薄膜；
[0011](2)將步驟(I)得到的硼摻雜納米金剛石薄膜在500-700°C溫度下的空氣中保溫5-50分鐘，即制得P型導(dǎo)電性能提高的硼摻雜納米金剛石薄膜。
[0012]所述步驟(I)可按以下步驟進(jìn)行:對(duì)單晶硅片采用金剛石研磨膏打磨半小時(shí)，打磨后的單晶硅片依次用去離子水和丙酮超聲波清洗、干燥后作為納米金剛石薄膜生長(zhǎng)的襯底，將單晶硅襯底放入化學(xué)氣相沉積設(shè)備，以丙酮為碳源，硼酸二甲酯為硼源，硼在碳源中的質(zhì)量濃度范圍為1000-4000ppm，采用氫氣鼓泡方式將溶有硼酸二甲酯的丙酮帶入到反應(yīng)室中，反應(yīng)溫度600?700°C，反應(yīng)時(shí)間5?6小時(shí)，在單晶硅襯底上制備得到厚度為I?10 μ m的硼摻雜納米金剛石薄膜。
[0013]所述步驟(2)中，優(yōu)選在500-600°C溫度下的空氣中保溫15-45分鐘。
[0014]所述步驟(2)更優(yōu)選為以下操作方法之一:
[0015](i)將步驟(I)得到的硼摻雜納米金剛石薄膜在500°C溫度下的空氣中保溫30分鐘，即制得P型導(dǎo)電性能提高的硼摻雜納米金剛石薄膜；
[0016](ii)將步驟(I)得到的硼摻雜納米金剛石薄膜在500°C溫度下的空氣中保溫45分鐘，即制得P型導(dǎo)電性能提高的硼摻雜納米金剛石薄膜；
[0017](iii)將步驟⑴得到的硼摻雜納米金剛石薄膜在600°C溫度下的空氣中保溫15分鐘，即制得P型導(dǎo)電性能提高的硼摻雜納米金剛石薄膜；
[0018]本發(fā)明的有益效果主要體現(xiàn)在:(I)該方法將硼摻雜納米金剛石薄膜在空氣中加熱一定時(shí)間，使得其導(dǎo)電性能增強(qiáng)，解決了硼摻雜納米金剛石薄膜的電導(dǎo)率和Hall迀移率較低，導(dǎo)電性能較摻入相同濃度硼的微晶金剛石薄膜差，難以用作電學(xué)器件的問題；(2)該方法簡(jiǎn)單、易于操作；(3)制備得到的P型硼摻雜納米金剛石薄膜，載流子濃度和迀移率增加，導(dǎo)電性能增強(qiáng)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)其在電化學(xué)電極和半導(dǎo)體領(lǐng)域等方面的應(yīng)用具有十分重要的科學(xué)意義和工程價(jià)值。
(四)
【附圖說明】
[0019]圖1為實(shí)施例1中摻硼濃度為1060ppm的硼摻雜納米金剛石薄膜的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FESEM)照片。
[0020]圖2為實(shí)施例1中500°C空氣中保溫30分鐘的硼摻雜納米金剛石薄膜的Raman光譜圖。
[0021]圖3為實(shí)施例2中500°C空氣中保溫45分鐘的硼摻雜納米金剛石薄膜的Raman光譜圖。
[0022]圖4為實(shí)施例3中600°C空氣中保溫15分鐘的硼摻雜納米金剛石薄膜的Raman光譜圖。
(五)
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步描述，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅限于此:
[0024]實(shí)施例1:
[0025]用納米級(jí)金剛石粉打磨單晶硅片，打磨時(shí)間約半小時(shí)。打磨過的硅片依次用去離子水和丙酮超聲清洗、干燥后，作為納米金剛石薄膜生長(zhǎng)的襯底。采用熱絲化學(xué)氣相沉積方法(化學(xué)氣相沉積設(shè)備購(gòu)自上海交友鉆石涂層有限公司，型號(hào)為JUHF CVD001)，以溶有硼酸二甲酯的丙酮為碳源，采用氫氣鼓泡方式將丙酮帶入到反應(yīng)室中，硼在丙酮中的濃度為1060ppm，反應(yīng)室溫度控制在600?700°C，制備時(shí)間為5小時(shí)，制備出厚度為3 μ m的硼摻雜納米金剛石薄膜。
[0026]圖1為摻硼濃度為1060ppm的硼摻雜納米金剛石薄膜的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FESEM)照片，可見薄膜是由納米級(jí)的顆粒組成。
[0027]將上述硼摻雜納米金剛石薄膜在500°C的空氣中保溫30分鐘，采用波長(zhǎng)為514nm的Raman光譜對(duì)薄膜成分進(jìn)行分析，如圖2所示。圖2可以看出，譜圖中出現(xiàn)了 1332cm—1的金剛石特征峰，表明薄膜中存在金剛石相；在1560cm—1還可觀察到無序sp 2鍵的石墨峰，說明薄膜主要由金剛石相和無序石墨相組成，與通常的納米金剛石薄膜的Raman特征譜圖一致。對(duì)500°C空氣中保溫30分鐘的硼摻雜納米金剛石薄膜以及未進(jìn)行熱氧化處理的硼摻雜納米金剛石薄膜進(jìn)行霍爾效應(yīng)測(cè)試，可知熱氧化后的薄膜是P型電導(dǎo)，多數(shù)載流子是空穴，霍爾系數(shù)為0.344m2/C，載流子濃度為2.58 X 11W2, H