磷离子注入石英基纳米金刚石薄膜的微结构和电学性能探究

　　金刚石具有禁带宽、迁移率高等优异的电学性能，是应用潜力巨大的高温半导体材料。由于金刚石的n型掺杂困难，极大地阻碍了其在电子领域的应用。纳米金刚石薄膜具有纳米金刚石晶粒和非晶碳晶界的复合结构，具有较大的n型掺杂潜力。国际上在纳米金刚石薄膜中掺入氮，氮元素大量积聚于非晶碳晶界中，并且氮是金刚石中的深能级杂质。因此，氮掺杂纳米金刚石薄膜具有电阻率低和迁移率低的特性，难以用作电学器件。
　　我们采用离子注入方法，将施主杂质离子同时注入到纳米金刚石晶粒和非晶碳晶界中，有效地提高了薄膜的迁移率和n型电导率。在我们的实验中，用于磷离子注入的纳米金刚石薄膜是生长在单晶硅衬底上的，单晶硅对薄膜导电性能可能有贡献。石英具有高透过率、高绝缘性和良好的化学稳定性，对生长在其上的纳米金刚石薄膜的电学性能影响较小。为了了解磷离子注入纳米金刚石薄膜本身对n型电导的贡献，我们在石英衬底上制备纳米金刚石薄膜，再在薄膜中注入一定剂量的磷离子，系统研究其微结构和电学性能，对于理解磷离子注入纳米金刚石薄膜的导电机理，具有重要意义。
　　1实验
　　采用偏压热丝化学气相沉积（HFCVD）法，在石英衬底上制备纳米金刚石（NCD）薄膜。在薄膜中注入剂量为11014cm2（P14样品）的磷离子，对磷离子注入后的NCD薄膜进行800和900的退火处理，退火时间为30min。表1列出了NCD薄膜的离子注入和退火方案。
　　采用AccentHL5500系统测试薄膜的电阻率、导电类型、载流子迁移率和载流子浓度等参数；采用波长为514nm的LabRAMHRUV80C型激光拉曼光谱仪（Raman）测试不同样品的微结构；采用KRATOSAXISULTRA型号X射线光电子能谱仪（XPS）测试薄膜表面的元素组成、原子价态和表面能态分布等。
　　2结果与讨论
　　采用Hall效应测试获得了样品P14800和P14900的电阻率、Hall系数、Hall迁移率和载流子浓度，如表2所列。从表2可知，磷离子注入的NCD薄膜的Hall系数都为负值，说明薄膜呈n型电导，表明磷离子注入的纳米金刚石薄膜具有n型导电性能。样品的Hall迁移率较高，P14900样品的迁移率达到802cm2V1s1。但是，样品的载流子浓度较小，仅在108109数量级；如P14900样品的载流子浓度为2。295108cm2，因此其电阻率高达3。391107cm2。这一结果表明，磷离子注入的纳米金刚石薄膜本身具有n型导电性能。
　　为了了解样品的高迁移率、低载流子浓度的原因，我们测试了样品的Raman光谱。图1为本征、P14、P14800和P14900样品的Raman光谱，谱图采用Gaussian函数进行拟合。从图中可以看出，Raman光谱图中具有1332cm1处的金刚石特征峰，1340cm1处的无序碳（D）峰，1560cm1处的无序石墨（G）峰，还有两个反式聚乙炔（TPA）峰分别在1140cm1和1470cm1处。这些符合纳米金刚石薄膜的拉曼光谱特征，表明在石英衬底上制备的薄膜为纳米金刚石薄膜〔710〕。1210cm1峰的线型异常宽大，表明这个峰是来自于晶界中的非晶碳相。目前一般认为1210cm1峰为NCD薄膜中极小尺寸的纳米金刚石晶粒或者非晶sp3碳团簇。对于1140cm1的TPA峰，经过900C退火后，TPA含量明显减少。说明TPA在高温下极不稳定，发生了解吸附。
　　P14800样品的O1s中心能级谱图，对其进行分峰拟合，得到两个峰。其中位于532。3eV处的峰为CO键，位于533。4eV处的峰为CO键。说明在低真空退火的条件下，薄膜表面发生了氧化。因此薄膜表面的扩散激活能增大，电子跃迁时所需克服对其束缚的势垒提高，使得注入的磷离子没有被完全激活，激发的自由电子很少，因此石英衬底NCD薄膜的载流子浓度很低。虽然石英衬底NCD薄膜的Hall迁移率较高，但是它的载流子浓度非常低，所以总体上导致石英衬底NCD薄膜的电阻率较高。
　　3结论
　　在石英衬底上沉积纳米金刚石薄膜，并进行11014cm2剂量的磷离子注入，再在800、900下真空退火30分钟。对薄膜的微结构和电学性能的研究表明，薄膜中非晶碳含量较高，金刚石含量较低；薄膜呈n型电导，具有载流子浓度低、迁移率高及电阻率高的导电特性。Raman光谱结果显示P14900样品的IDIG值最大，说明薄膜内sp2碳发生团簇，有序度较高。XPS测试结果表明，石英衬底上沉积的金刚石薄膜容易被氧化。这些因素使得薄膜的载流子浓度较低而迁移率较高。