电子辅助化学气相沉积法（EACVD）制备纳米金刚石薄膜及其光电性能的研究

论文摘要

本工作提出了采用正偏压,即EACVD方法,在α-SiC陶瓷和（100）Si晶片抛光衬底表面上沉积纳米金刚石薄膜。研究了气压、连续正偏压和正偏压增强成核对沉积金刚石薄膜的影响。用激光拉曼光谱,X射线衍射,场发射扫描电镜,高分辨透射电镜,原子力显微镜,Hall效应,I-V特性,光致发光光谱和椭偏光谱等方法对制备的金刚石薄膜的结构和性能以及相互间的影响机制进行了系统表征和分析。研究表明,在1kPa气压下,随偏压电流从OA至10A逐渐增加,电子轰击显著加速了奇异面和邻位面上的成核生长。即:一,电子轰击使表面脱氢加速,表面悬挂键和碳氢基团吸附及成键增加,因而,成核率增加。晶核和晶芽表面较易出现（111）择优取向晶面。二,当在生成的台阶表面上又生成了大量晶芽及台阶时,表面将出现不同择优取向的晶面,而且,二次成核率明显上升。三,当表面悬挂键进一步增多时,氢对金刚石结构的稳定作用减弱。当在1kPa气压下,施加6A偏流增强成核时,在（100）Si晶片和α-SiC陶瓷抛光表面上,电子轰击使（111）金刚石晶面上产生较多（110）台阶,这些台阶以及台阶边伸出的悬挂键不但显著地提高了成核率,而且这些台阶边缘伸出的悬挂键方向与（100）晶面悬挂键方向一致,可以成为（100）定向生长的成核位置,在4 kPa气压下生长出（100）定向金刚石薄膜。在α-SiC陶瓷抛光表面存在许多（0001）邻晶面和台阶,有利于金刚石（111）晶面的成核生长。因而,在4 kPa气压下,施加连续偏流6A使α-SiC陶瓷衬底上薄膜呈现较强的（111）织构取向;而在（100）Si晶片上薄膜则呈现较强的（110）织构取向。在1kPa气压下,施加连续偏流8A时,表面出现了各种取向的晶芽和台阶,二次成核率有较大提高。因而,沉积的纳米金刚石膜表面粗糙度最低可达11nm（2μm×2μm）,晶粒尺寸最小可达18nm。Hall效应测试表明,施加连续正偏压使纳米金刚石薄膜呈现较强的p型半导体特性,空穴浓度达1014cm-2,载流子迁移率为150 cm2v-1s-1,体电阻率为103Ω·cm。电子轰击形成的晶粒体内空位和位错缺陷中的悬挂键导致了纳米薄膜较强的p型半导体特性。该薄膜与低阻n型Si晶片衬底形成异质结,其I-V特性曲线具有明显的整流特性。而不施加连续正偏压制得的纳米薄膜具有较高的体电阻率,达到108Ω·cm。椭偏光谱分析表明,不施加正偏压沉积制得的纳米膜折射率为2.33,低于天然金刚石折射率,消光系数接近于零。而施加连续正偏压后沉积制得的纳米膜折射率增加至2.50,大于天然金刚石折射率,消光系数也有所增加。光致发光谱分析表明,施加连续正偏压后,纳米薄膜在470 nm波长处出现较强兰色光致发光峰。而不施加正偏压沉积制得的纳米薄膜光致发光峰极其微弱。电子轰击形成的晶粒体内空位和位错缺陷中的悬挂键导致了光致发光特性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 微米和纳米金刚石薄膜的优异特性及应用
• 1.1.1 金刚石的力学性能及其应用
• 1.1.2 金刚石的热学性能及其应用
• 1.1.3 金刚石的电学性能及其应用
• 1.1.4 金刚石的光学性能及其应用
• 1.2 异质外延和高取向金刚石薄膜沉积
• 1.3 金刚石晶面表面结构和成核生长机理
• 1.4 纳米金刚石薄膜的沉积制备和生长机理
• 1.4.1 纳米金刚石薄膜制备
• 1.4.2 纳米金刚石薄膜成核生长机理
• 1.5 金刚石薄膜正偏压增强成核
• 1.6 本论文的研究目的、意义和内容
• 第二章 α-SiC陶瓷衬底上EACVD成核生长纳米金刚石薄膜制备、表征及机理
• 2.1 EA-HFCVD装置
• 2.2 抛光衬底表面纳米金刚石粉研磨预处理
• 2.3 在连续施加正偏压条件下气压对沉积金刚石薄膜的影响
• 2.4 1kPa气压下连续施加正偏压对SiC衬底上沉积纳米金刚石薄膜的影响
• 2.5 α-SiC陶瓷抛光衬底上正偏压增强成核沉积（100）和（111）定向生长薄膜
• 2.6 α-SiC陶瓷衬底表面EACVD成核生长金刚石薄膜机理
• 2.6.1 α-SiC表面结构
• 2.6.2 EACVD机理
• 2.6.2.1 电子在气体中的迁移运动
• 2.6.2.2 电子诱导固体表面的脱附
• 2.6.2.3 EACVD成核生长机理
• 2.7 小结
• 第三章 （100）Si抛光衬底上EACVD成核生长纳米金刚石薄膜制备、表征及机理
• 3.1 实验装置和原料
• 3.2 1kPa气压下连续施加正偏压电流对Si衬底上沉积纳米金刚石薄膜的影响
• 3.3 Si晶片抛光表面正偏压增强成核对沉积纳米金刚石薄膜的影响
• 3.4 Si晶片抛光表面正偏压增强成核制备（100）定向金刚石薄膜及表征
• 3.4.1 制备工艺
• 3.4.2 正偏压对金刚石薄膜织构的影响
• 3.5 正偏压对化学气相沉积金刚石薄膜成核生长的影响机理
• 3.5.1 Si的清洁表面
• 3.5.2 Si的氢吸附表面
• 3.5.3 原子H与金刚石表面的作用
• 3.5.4 金刚石与硅衬底之间界面的TEM研究
• 3.5.5 表面结构
• 3.5.6 气体与表面结构的相互作用
• 3.5.6.1 吸附层的结构
• 3.5.6.2 底物表面结构
• 3.5.6.3 活化吸附理论
• 3.5.7 （100）Si抛光表面EACVD金刚石薄膜成核生长机理
• 3.6 小结
• 第四章 EACVD纳米金刚石薄膜的电学性能
• 4.1 EACVD沉积纳米金刚石薄膜Hall效应测试及分析
• 4.1.1 电阻率测量
• 4.1.2 微米金刚石薄膜电导机制
• 4.1.3 纳米金刚石薄膜电导机制
• 4.1.4 EACVD纳米金刚石薄膜电导机制
• 4.2 EACVD沉积纳米金刚石薄膜Ⅰ-Ⅴ特性曲线测试及分析
• 4.3 正偏压电流增强成核对沉积纳米金刚石薄膜电学性能的影响
• 4.4 小结
• 第五章 EACVD纳米金刚石薄膜的光学性能
• 5.1 EACVD纳米金刚石薄膜光致发光光谱测试
• 5.2 EACVD纳米金刚石薄膜光致发光机理
• 5.3 EACVD纳米金刚石薄膜的椭圆偏振光谱研究
• 5.3.1 椭圆偏振光谱测试原理
• 5.3.2 EACVD纳米金刚石薄膜椭偏光谱的表征
• 5.4 小结
• 第六章 结论与展望
• 参考文献
• 作者在攻读博士学位期间公开发表的论文
• 作者在攻读博士学位期间所参与的项目
• 致谢