一種高遷移率的n型納米金剛石-石墨烯納米帶復合薄膜及制備方法
【專利說明】
(一)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種高迀移率的η型納米金剛石-石墨稀納米帶復合薄膜及制備方法。
(二)
【背景技術(shù)】
[0002]金剛石具有禁帶寬和載流子迀移率高等優(yōu)異的物理性能，相比硅等電子材料，它可在高溫、高輻射及惡劣化學環(huán)境中使用。但目前金剛石并未在微電子工業(yè)中獲得應(yīng)用，關(guān)鍵原因是很難制備低電阻率高迀移率的η型金剛石薄膜，從而難于制作ρη結(jié)等原型器件。成功制備高電導率的η型金剛石薄膜，實現(xiàn)金剛石在微電子工業(yè)中的應(yīng)用，可能引發(fā)電子工業(yè)的革命，具有極其重要的理論和應(yīng)用價值。
[0003]多年來，眾多研宄者從理論計算和實驗上尋找有利于獲得低電阻率η型金剛石的雜質(zhì)元素和摻雜方法。主要的雜質(zhì)元素有氮、磷、硫、鋰等，通過在生長過程中或采用離子注入方法使各種雜質(zhì)摻入到單晶金剛石或微晶金剛石薄膜(薄膜中的金剛石晶粒尺寸為微米級)中，但都沒有獲得良好的效果，摻雜后的金剛石薄膜電導率低，電子迀移率低，難以用作電子器件。
[0004]近年來，隨著金剛石薄膜制備技術(shù)的發(fā)展，納米金剛石薄膜已經(jīng)制備成功。納米金剛石薄膜具有優(yōu)異的物理性能，如硬度高，摩擦系數(shù)小，場發(fā)射閾值低等。納米金剛石薄膜的電導率(?10_6(Qcm)-1)比微晶金剛石薄膜高3?7個數(shù)量級，但其仍然由于電導率過低而很難應(yīng)用于電子工業(yè)中。因此，制備高電導率高迀移率的η型納米金剛石薄膜，對實現(xiàn)其在半導體器件、場致發(fā)射顯示器、電化學等領(lǐng)域的應(yīng)用具有十分重要的科學意義和工程價值。
[0005]石墨烯是由碳原子以SP2雜化軌道組成六角型蜂巢晶格的平面薄膜，是只有一個碳原子厚度的典型二維材料。它的電導率和迀移率都非常高，是性能優(yōu)良的導體材料；而石墨稀納米帶或片具有半導體性質(zhì)，如果將納米金剛石與石墨稀納米帶復合，制備獲得納米金剛石-石墨烯納米帶復合薄膜，將可能很好地利用這兩種材料的優(yōu)勢，提高納米金剛石薄膜的電學性能，有利于實現(xiàn)金剛石和石墨烯納米帶在半導體領(lǐng)域的應(yīng)用。納米金剛石薄膜由納米金剛石晶粒和非晶碳晶界組成，其中的非晶碳晶界在不同溫度的氧化處理下，可望獲得石墨稀納米帶，制備得到納米金剛石-石墨稀納米帶復合薄膜。
[0006]在申請人的授權(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，獲得了電阻率較低，迀移率較高的η型納米金剛石薄膜，但是其迀移率還不是足夠高，還有很大的提高空間。在該專利中:(I)施主雜質(zhì)離子的劑量在114?10 16Cnf2范圍，這一劑量范圍對尺寸在3?20nm的金剛石晶粒造成較大的晶格損傷，影響薄膜的迀移率。(2)離子注入后的納米金剛石薄膜在真空中退火，得到了 η型納米金剛石薄膜。本專利擬在該研宄結(jié)果的基礎(chǔ)上，調(diào)整注入離子的劑量，并在一定溫度下進行有限氧化退火，以在非晶碳晶界中獲得石墨烯納米帶，制備獲得η型納米金剛石-石墨烯納米帶復合材料，有效提高離子注入納米金剛石薄膜的迀移率和導電性能，對于實現(xiàn)納米金剛石薄膜在電子工業(yè)中的應(yīng)用具有十分重要的意義。同時，本方法將納米金剛石晶粒與石墨烯納米帶復合，對于實現(xiàn)石墨烯納米帶在半導體領(lǐng)域的應(yīng)用具有較重要的意義。
(三)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是提供一種高迀移率的η型納米金剛石-石墨烯納米帶復合薄膜及制備方法。
[0008]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0009]一種高迀移率(Hall迀移率在δΟΟ^ν—1。以上)的η型納米金剛石-石墨烯納米帶復合薄膜的制備方法，所述方法包括以下步驟:(I)采用熱絲化學氣相沉積方法，在單晶硅襯底上制備納米金剛石薄膜；(2)采用離子注入方法，在步驟(I)得到的納米金剛石薄膜中注入磷離子，得到離子注入后的薄膜；所述磷離子的注入劑量為111?10 13CnT2、注入能量為90?10keV ; (3)將步驟(2)得到的離子注入后的薄膜進行有限氧化退火，所述有限氧化退火是在4000Pa的壓力下、800?1000°C的溫度下退火30分鐘，即得所述高迀移率的η型納米金剛石-石墨稀納米帶復合薄膜。按照本發(fā)明方法制得的η型納米金剛石-石墨稀納米帶復合薄膜，其Hall迀移率在SOOcmiW1以上，最高可達684cm W1。
[0010]所述步驟(I)中，納米金剛石薄膜采用熱絲化學氣相沉積(HFCVD)法在單晶硅襯底上制備，可采用常規(guī)熱絲化學氣相沉積設(shè)備進行，要求制備獲得的納米金剛石薄膜厚度為3?4 μ??ο
[0011]進一步，所述步驟(I)可采用以下步驟進行:對單晶硅襯底采用金剛石研磨膏打磨半小時，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的襯底，將單晶硅襯底放入熱絲化學氣相沉積設(shè)備，以丙酮為碳源，采用氫氣鼓泡方式將丙酮帶入到反應(yīng)室中，反應(yīng)溫度為600?700°C、反應(yīng)時間5?6小時，制備得到厚度為3?4 μπι的納米金剛石薄膜。
[0012]所述步驟(2)中，所述磷離子的注入劑量優(yōu)選為1012cm_2。注入能量優(yōu)選為90keV。
[0013]所述步驟(3)中，所述退火在4000Pa氣壓下進行，具體的，是將空氣氣氛抽真空到4000Pao
[0014]所述步驟(3)中，退火溫度優(yōu)選900 °C。
[0015]本發(fā)明還涉及一種采用上述方法制備的高迀移率η型納米金剛石-石墨稀納米帶復合薄膜，由納米金剛石薄膜中注入雜質(zhì)離子并在低真空的有限氧化退火后得到，所述雜質(zhì)離子為磷離子，800?1000°C低真空有限熱氧化退火后，得到的納米金剛石晶粒尺寸為3?6nm，晶界中產(chǎn)生石墨稀納米帶；雜質(zhì)離子同時存在于薄膜的納米金剛石晶粒和石墨稀納米帶中；納米金剛石晶粒和石墨稀納米帶為薄膜提供SOOcm2Ar1S4以上迀移率的η型電
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[0016]本發(fā)明的有益效果主要體現(xiàn)在:(I)方法簡單、易于操作；(2)采用離子注入方法將低劑量的施主雜質(zhì)離子同時摻入到納米金剛石晶粒和晶界中，并通過有限熱氧化的低真空退火，使得晶界中的反式聚乙炔轉(zhuǎn)變?yōu)槭┘{米帶，制備得到最高迀移率達到的η型導電的納米金剛石-石墨稀納米帶復合薄膜。(3)在800?1000°C低真空有限熱氧化退火后，較小劑量注入的納米金剛石晶粒尺寸變大，晶界寬度變窄，薄膜在低真空退火過程中發(fā)生氧化，晶界中的反式聚乙炔轉(zhuǎn)變?yōu)槭┘{米帶；離子注入的納米金剛石晶粒和石墨烯納米帶的共同作用，有效提高了薄膜的迀移率；(4)制備獲得的η型納米金剛石-石墨烯納米帶復合薄膜的電阻率低、Hall迀移率高等優(yōu)點，對實現(xiàn)金剛石和石墨烯納米帶在半導體器件、場致發(fā)射顯示器、電化學等領(lǐng)域的應(yīng)用具有十分重要的科學意義和工程價值。
(四)
【附圖說明】
[0017]圖1磷離子注入劑量為1012cm_2，在900°C低真空退火后的納米金剛石-石墨烯納米帶復合薄膜的可見光Raman光譜圖。<