掺硼金刚石导电薄膜

一．引言

金刚石薄膜有着优异的物理性能：机械性能，电化学性能，电子性能，热性能和生物兼容性。

光学级金刚石从紫外线区域到远红外区域透光可见，这种特性导致许多可能的技术应用，包括光学涂层，光电开关器件，宽带红外光学窗口或用于高温和化学腐蚀性环境，金刚石是具有Eg = 5.45 eV宽带隙半导体，然而当掺杂硼时，其转变为具有优异电化学性质的p型半导体材料。硼掺杂金刚石膜是一种很好的电极材料，与标准氢电极（standard hydrogen electrode, SHE）相比，在水性电解质中具有宽的电化学窗口为-1.25至+2.3 V，高阳极稳定性, 在苛刻环境下的化学稳定性和生物相容性。这些显着的性质使得BDD可用于许多应用，例如：电化学传感，生物传感，电催化和废水处理。

化学气相沉积（CVD）技术可用来生产高质量的金刚石薄膜。合成BDD的两种最常见的技术是热丝CVD（HF-CVD）[25] 和微波等离子体辅助CVD（MW- PACVD）将含硼前驱体进行原位掺杂。不同的应用场合需要进一步优化结构和形态特征，如：更光滑的表面，光学透明度或电导率。生长参数如气体混合物，温度，压力和掺硼浓度不仅影响形貌和结构（sp3 / sp2杂化轨道比），而且影响电气和电子性质或光学透明度。已有文献证实掺硼浓度对所有这些性质都有显著的影响。有研究表明金刚石膜上的平均晶粒尺寸可随着掺硼浓度的增加而降低10倍。硼的引入可产生再次形核，导致了在最开始生长金刚石晶体上又产生了较小结晶。最近，有研究表明硼掺杂剂的分布可直接检测到，并且已经得出结论，硼掺杂剂清楚的显示于金刚石晶格中的存在以及这些掺杂剂在双边界和缺陷中心内的富集。

二．实验

2.1 熔融石英玻璃的预处理

将镜面抛光的熔融石英玻璃载玻片用作实验的衬底（10×10 mm ;1 mm厚）, 在处理之前，将熔融石英玻片在含有丙酮的超声波浴中清洗5分钟，在2-异丙醇中漂洗，然后干燥。然后，基板在氢等离子体中进行刻蚀，该工艺在H2等离子体，微波功率为1300W，进行60分钟。在该过程中，气体的总流量固定为300sccm，压力保持在50 Torr的左右。氢刻蚀可改变表面钝化和润湿性能，这提高了在熔融以熔融石英为衬底上的金刚石形核速率。植晶过程使用旋涂机（Laurell WS 400B，USA）在介质薄膜上旋涂法植晶。实验中使用的是在DMSO / PVA中加入质量比为0.25％纳米金刚石的DMSO-PVA-DND悬浮液。DND研磨浆料制备程序已有研究 道。

2.2 熔融石英玻璃上CVD金刚石的生长

在MW-PA-CVD系统（SEKI Technotron AX5400S）中合成BDD电极。沉积过程中基板温度保持在500℃。可采用低生长温度来减小由于金刚石膜和熔融石英衬底不同热膨胀系数而引起的结构应力。高激发态等离子体由微波辐射（频率为2.45 GHz）引发，微波功率保持在1300W以实现高电离等离子体。在本研究中，将总流速为300 sccm时，保持CH4和H2混合物的气体摩尔体积比为1％和4％。本底压强为约10-6 Torr，生长气压保持在50 Torr，使用乙硼烷（B2H6）掺杂剂前体，设置B / C比的气相中硼的掺杂水平为0 ppm, 1000 ppm, 2500 ppm，5000 ppm和10000 ppm，生长时间为60分钟，生长厚度为300?700 nm的多晶膜。

由于金刚石薄膜/熔融石英界面处的局部应力，导致金刚石的拉曼带的偏移和带宽的变化，其由非晶衬底上的金刚石的非外延沉积和非均匀硼掺杂掺杂引起 sp2带的富集。已有研究 道了单晶硅片的BDD增长，这些发现与sp 3 / sp 2带比趋势一致。值得注意的是，当晶体沉积在熔融二氧化硅上时，金刚石结构比晶体材料如Si、金属更易受[B] / [C]或CH 4浓度的影响。

总结

总之，我们研究了微波等离子体辅助CVD法沉积在熔融石英衬底上的BDD膜的电学性质和光学性质。主要研究了硼掺杂浓度和甲烷混合物的对薄膜的影响。拉曼研究显示，CH4浓度为1％和4％条件下，生长的样品随着[B] / [C]比例的增加，金刚石带的FWHM分别扩大到约40 cm-1和70 cm-1处。由于金刚石晶体结构形变，金刚石薄膜的相对sp3 / sp2带比显著下降。除研究晶体结构外，还对生长动力学，光学常数和能带隙变化进行了深入的研究。实现了低和中等掺硼浓度条件下，沉积的BDD薄膜的折射率范围为2.0至2.4。薄膜能带间隙，从[B] / [C]为 0 ppm条件下的3.7 eV分别降低到高掺硼浓度条件下的2.15 eV与2 eV。

通过合适的两步衬底预处理和基于PVA-DND的植晶步骤，可生长60％以上透射率，电阻率低至48 Ω cm的薄膜。总的来说，不存在最佳的硼掺杂，因为Rsh和T在[B] / [C]增加的作用下，会完全的沿相反方向进行。这个级别的光电参数有希望开发集成光学传感器，透明电子器件或光电化学生物传感器件。