磷离子注入制备高电导率n型纳米金刚石薄膜的研究

制备高电导率高迁移率n型纳米金刚石薄膜是实现其在电子工业中应用的关键。针对CVD方法制备的氮掺杂纳米金刚石薄膜中杂质元素偏聚于晶界，很难掺入到纳米金刚石晶粒中，而使纳米晶粒对导电贡献不大，薄膜的Hall迁移率低等问题。本项目提出采用离子注入方法，将磷同时掺入到纳米金刚石晶粒和晶界中，控制磷离子剂量在较小范围并调控退火温度，系统研究磷离子注入剂量和退火温度与纳米晶粒尺寸、晶粒导电性能和缺陷态、晶界宽度、晶界导电性能和薄膜导电性能的关系，以在纳米金刚石晶粒中获得合适的掺杂水平，减小离化杂质散射和离子注入的损伤，使纳米晶粒和晶界具有良好n型导电性能，大幅提高磷掺杂纳米金刚石薄膜的Hall迁移率和电导率；理解磷掺杂纳米金刚石薄膜的导电机理，获得高电导率n型纳米金刚石薄膜的制备技术，对实现纳米金刚石薄膜在电子工业上的应用具有重要意义。

金刚石具有禁带宽、载流子迁移率高等优异的电学性能，可望用作高温和极端条件下的半导体器件。N型金刚石薄膜的制备是实现金刚石在电子工业中应用的关键难题，是金刚石研究中的前沿研究问题。针对氮掺杂纳米金刚石薄膜的电阻率和迁移率低，难以用作电学器件等问题，本项目提出在纳米金刚石薄膜中注入不同剂量的磷离子，系统研究了磷离子注入纳米金刚石薄膜的微结构和电学性能，制备得到了导电性能良好的n型纳米金刚石薄膜。在纳米金刚石薄膜中注入剂量为1015cm-2的磷离子，900 ˚C 退火后薄膜的Hall迁移率达到134 cm2V-1s-1；在纳米金刚石薄膜中注入较小剂量(1012cm-2)的磷离子，900 ˚C 退火后薄膜的Hall迁移率达到684 cm2V-1s-1；远高于氮掺杂纳米金刚石薄膜的Hall迁移率(1-10 cm2V-1s-1)。研究发现了薄膜中纳米金刚石晶粒提供n型电导，非晶碳晶界提供导电传输路径的新颖导电机制；此导电机制与氮掺杂纳米金刚石薄膜中晶界导电的机制有本质不同，因此大大提高了薄膜的电导率和Hall迁移率。研究发现了薄膜在不同退火温度下金刚石与非晶碳晶界相互转变的现象；系统研究了氢在薄膜相变中的作用，获得了薄膜在不同退火温度下发生相变的相关机制；研究发现晶粒尺寸对薄膜中金刚石和非晶碳之间的相变和电学性能有重要影响；晶粒尺寸为3-5nm，晶界宽度为1 nm左右的微结构最有利于获得n型导电性能良好的纳米金刚石薄膜。本项目制备得到了电学性能良好的n型纳米金刚石薄膜，发现了新颖的导电机制及相变现象。研究结果具有重要的科学意义和应用价值，为实现金刚石在电子工业中的应用奠定了良好基础。相关研究结果发表在Appl. Phys. Lett., J. Appl. Phys., AIP advances, Diamond Relat. Mater.,和物理学报等杂志上，得到审稿专家的高度评价；研究结果引起国际同行的关注，在金刚石相关的国际会议上做口头报告3次。