硼掺杂对金刚石薄膜的表面形貌、质量影响的研究
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【摘要】利用微波等离子体化学气相淀积法在硅基片上合成硼掺杂金刚石薄膜。B2O3从1000ppm到5000ppm的不同浓度对场发射性能影响的研究。通过扫描电镜和拉曼光谱表征了薄膜的表面形貌和质量。通过SEM显示随着B2O3浓度的增加，纳米金刚石颗粒的表面形貌从表面覆盖纳米颗粒的方面微晶到菜花形。说明少量的硼有利于提高金刚石膜的质量，随着硼浓度进一步升高，由于硼掺入引起的晶格畸变而导致品质下降。
【关键词】CVD金刚石;硼掺杂
0.引言
在过去的20年里，对CVD金刚石膜的合成进行了大量的表征和应用的研究。作为场发射材料在其他半导体材料选择中，具有独特理化性质化学气相沉积法得到金刚石薄膜呈现出史无前例的优势[1-4]。微晶金刚石薄膜的场电子发射已经被广泛的研究，并且已经提出各种模型来解释电子发射机制。许多研究者已经获得相关了工艺参数，金刚石质量和后续处理在CVD薄膜FEE参数上的影响。为提高FEE性能的尝试中发现，在表面/主体的条件下，在金刚石晶格中杂质的原位掺杂中，硼和氮是首选的。
1.实验细节
利用微波等离子体化学汽相淀积法在硅基片上合成硼掺杂NCD膜。合成的详细方法和过程在别处谈论。在经金刚石粉末处理后，P型镜面光滑硅基底用#400-#800砂纸和0.3μm氧化铝粉末机械抛光。随后基片放入丙酮中利用超声波清洗，并放入2.45GHz微波的石英管（微波反映装置）中通过一个波导管。在目前的研究中，氢气被用来做运输者和反应气体。硼源被引入到反应装置中通过B2O3，丙酮和甲醇的混合。混合物也充当硼掺杂NCD沉积的碳源。为了研究硼掺杂在场发射性能上的影响，利用在混合物中不同B2O3浓度(1000,2000 and 5000ppm)合成金刚石膜。实验条件在表1中显示。
表1 用于合成的掺硼MPCVD方法的纳米金刚石薄膜的实验参数
在场发射研究之前，合成的硼掺杂NCD膜通过FESEM和拉曼光谱进行表征。场发射实验在压力为～1.33× 10-6Pa的全金属腔中进行。真空操作在由一个涡轮分子泵，一个溅射离子泵，一个钛升华泵组成的超高真空系统中进行。一个典型的“二极管”构造，包含一个涂磷的锡氧化物玻璃板作为阳极和在硅基片上沉积B掺杂NCD膜作为阴极。样本用UHV和银浆贴住，同时，用不锈钢连接一个线移动驱动，方便阴阳级来回移动。场发射实验在阴阳极间距为～1 mm时进行。采取屏蔽电缆和接地的方法防止漏电。1000,2000和5000ppm的硼合成的NCD膜分别标为A,B,C。场发射实验在相同条件下至少执行2次来核查结果的重复性。
2.结果与讨论
在合成膜中硼的融合在次级离子质谱分析中确认。扫面电镜图像描述了在反应混合物中B2O3浓度的改变引起的表面形态的不同。SEM分析显示在实验条件下2种类型金刚石晶粒的构成。从图1a中看到低浓度B2O3合成的面MCD晶粒的构成。仔细观察SEM图显示了面MCD颗粒上纳米晶粒的存在。随着B2O3浓度的增加，“晶面”消失，表面形态存在重大改变，并且在浓度非常高时（5000ppm），NCD晶粒为“菜花”型。在目前的研究中，从SEM中得到平均晶粒尺寸估计A在200-400nm,B少于200nm，C少于30nm。
(a)1000ppm (b)2000ppm (c)5000ppm
图1 不同B2O3浓度条件下合成的硼掺杂纳米金刚石膜形貌SEM照片
拉曼光谱被广泛的用来评估金刚石膜的质量。图2为样本A,B,C的拉曼光谱。拉曼光谱显示3个特殊的峰在1140,1350,1480 和1580 cm-1。这些光谱在形貌的改变上与SEM分析和文献中报道的显示出相似的结果。1140cm-1和1480cm-1处峰显示的是NCD或sp3碳相的存在。随着B2O3浓度的增加，NCD特征峰(～1140和1480cm-1)的强度增大，这些峰明确的显示出在实验条件下NCD的构成。～1350和1580 cm-1峰的出现分别显示是D带和G带。MCD对应的1332cm-1峰的缺少可能是由于金刚石较小的晶粒尺寸。拉曼光谱明确的证明了实验条件下NCD的构成。
(a)1000ppm (b)2000ppm (c)5000ppm
图2 不同B2O3浓度条件下合成的硼掺杂纳米金刚石膜拉曼光谱
研究发现，少量硼掺入有利于金刚石的质量提高，但随着硼浓度不断升高至一定程度时，薄膜质量反而下降。掺硼金刚石的晶粒尺寸以及生长速率都随着硼浓度的升高先变大而后减小的规律。分析其原因是少量的硼的掺入提高了衬底表面含碳基团的活性，促进了金刚石膜的生长。相反过多硼的存在破坏了金刚石生长的气氛和晶体结构，最终会抑制金刚石膜的生长并使其质量降低。硼的掺入使金刚石显现更多的(111)晶面，而抑制其它晶面的生长。Raman光谱说明少量的硼有利于提高金刚石膜的质量，随着硼浓度进一步升高，由于硼掺入引起的晶格畸变而导致品质下降
3.结论
通过MPCVD合成了具有不同浓度硼的B掺杂NCD膜。SEM图显示随B2O3的增加表面形貌的变化，NCD颗粒从表面覆盖纳米颗粒的方面微晶到菜花形。说明少量的硼有利于提高金刚石膜的质量，随着硼浓度进一步升高，由于硼掺入引起的晶格畸变而导致品质下降。 [科]
【参考文献】
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