CN108217644A - 一种n型磷掺杂金刚石薄膜制备过程中去除氢杂质的方法与装置 - Google Patents

一种n型磷掺杂金刚石薄膜制备过程中去除氢杂质的方法与装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种n型磷掺杂金刚石薄膜制备过程中去除氢杂质的方法与装置，在n型磷掺杂金刚石薄膜制备过程中同时施加飞秒激光与温度场，飞秒激光仅将n型磷掺杂金刚石薄膜中的磷氢键价电子激发到激发态；温度场仅将价电子激发到激发态的磷氢键断裂；从而去除薄膜中的氢元素。通过在n型磷掺杂金刚石薄膜的制备过程中施加飞秒激光与温度场，断裂n型磷掺杂金刚石薄膜中的磷氢键，去除薄膜中的氢元素，进而改善n型磷掺杂金刚石的电学性能。

Description

一种n型磷掺杂金刚石薄膜制备过程中去除氢杂质的方法与 装置
技术领域
本发明涉及n型磷掺杂金刚石薄膜领域，尤其涉及一种n型磷掺杂金刚石薄膜制备过程中去除氢杂质的方法与装置。
背景技术
金刚石薄膜作为半导体材料具有高载流子迁移率(1000cm2/(V·s))、高介质击穿电场(5～10MV/cm)、高热导率(20W/(K·cm))以及宽禁带(5.47eV)等优点，使得其在电子工业领域有着极大的应用潜力。但由于室温情况下金刚石薄膜电导率过低，限制了其在电子工业领域的应用。在金刚石薄膜中掺杂施主元素，可得到高电导率的n型金刚石薄膜，对实现其在场致发射显示器、半导体器件、电化学等领域的应用具有重大的科学意义。
磷元素是n型金刚石薄膜中唯一普遍认可用来获得室温n型电导的施主，具有较低的施主能级(0.2～1.09eV)。但是n型磷掺杂金刚石薄膜的载流子浓度和迁移率都随着磷元素浓度的增加而降低，这与金刚石薄膜中的氢元素含量较多有关。在n型磷掺杂金刚石薄膜制备过程中，会有非金刚石碳相的形成，氢气电离形成的原子氢对于刻蚀非金刚石碳相和稳定金刚石相具有重要的作用。但是氢元素的负面作用是会在n型金刚石薄膜中与磷元素以磷氢键形式结合，钝化了施主杂质，降低了金刚石薄膜的导电性能。因此，研究n型磷掺杂金刚石薄膜制备过程中去除氢元素对改善n型金刚石薄膜的电学性能、提高其工业应用价值具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的就是针对目前n型磷掺杂金刚石薄膜中氢元素杂质影响金刚石薄膜电学性能的问题，提出一种n型磷掺杂金刚石薄膜制备过程中去除氢杂质的方法与装置。
本发明所设计的一种n型磷掺杂金刚石薄膜制备过程中去除氢杂质的方法，其特殊之处在于：
在n型磷掺杂金刚石薄膜制备过程中同时施加飞秒激光与温度场，飞秒激光仅将n型磷掺杂金刚石薄膜中的磷氢键价电子激发到激发态；温度场仅将价电子激发到激发态的磷氢键断裂；从而去除薄膜中的氢元素。
进一步地，利用仿真方法确定飞秒激光与温度场的相关参数。
进一步地，所述飞秒激光的脉宽为飞秒级。
进一步地，所述飞秒激光与温度场的施加，在时间尺度上上覆盖了n型磷掺杂金刚石薄膜制备全过程。
本发明还设计了一种n型磷掺杂金刚石薄膜制备过程中去除氢杂质的装置，其特殊之处在于：包括飞秒激光光源、激光振镜器和温度场发生器；
所述飞秒激光光源用于在n型磷掺杂金刚石薄膜制备过程中施加飞秒激光，飞秒激光通过激光振镜器作用于金刚石沉积层表面，仅将n型磷掺杂金刚石薄膜中的磷氢键价电子激发到激发态；
所述温度场发生器用于n型磷掺杂金刚石薄膜制备过程中施加温度场，仅将价电子激发到激发态的磷氢键断裂。
进一步地，所述金刚石沉积层的尺寸与飞秒激光的速度v应满足以下关系：
AB＝vtΔb
其中，金刚石沉积层长度值为A，宽度值为B，飞秒激光来回一次扫描路径线长度值为A，扫描间距值为Δb，Δb小于飞秒激光光斑直径，金刚石每生长一个碳原子层的时间为t。
进一步地，所述飞秒激光垂直作用于金刚石沉积层上表面；所述温度场发生器作用于薄膜生长腔室，对薄膜生长腔室温度进行控制，进而改变金刚石薄膜的表面温度。
本发明的优点在于：
本发明通过在n型磷掺杂金刚石薄膜的制备过程中施加飞秒激光与温度场，断裂n型磷掺杂金刚石薄膜中的磷氢键，去除薄膜中的氢元素，进而改善n型磷掺杂金刚石的电学性能。
附图说明
图1为飞秒激光扫描n型磷掺杂金刚石示意图。
图2为在n型磷掺杂金刚石施加飞秒激光场与温度场的微观示意图。
图3为磷氢键价电子能级图。
图4为碳磷键价电子能级图。
图5为碳碳键价电子能级图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：
本发明实施例提供的一种n型磷掺杂金刚石薄膜制备过程中去除氢杂质的方法，在n型磷掺杂金刚石薄膜制备过程中施加飞秒激光与温度场。飞秒激光由飞秒激光源生成，再经过激光振镜器后辐照在n型磷掺杂金刚石薄膜表面。飞秒激光辐照n型磷掺杂金刚石薄膜表面的方式是通过激光振镜器进行表面扫描辐照。
优选地，飞秒激光的脉宽为飞秒级。施加温度场是通过温度场发生器调控n型磷掺杂金刚石薄膜制备过程中的生长腔室温度来实现的。
飞秒激光与温度场是同时刻施加，在时间尺度上覆盖了n型磷掺杂金刚石薄膜制备全过程。
飞秒激光能够仅将n型磷掺杂金刚石薄膜中的磷氢键价电子激发到激发态，而碳磷键与碳碳键的价电子并没有被飞秒激光激发到激发态。温度场能够仅将价电子激发到激发态的磷氢键断裂，进而去除薄膜中的氢元素。
本发明中的一种n型磷掺杂金刚石薄膜制备过程中去除氢杂质的装置，包括飞秒激光光源、激光振镜器和温度场发生器；飞秒激光光源用于在n型磷掺杂金刚石薄膜制备过程中同时施加飞秒激光，并通过激光振镜器作用于金刚石沉积层表面，仅将n型磷掺杂金刚石薄膜中的磷氢键价电子激发到激发态；温度场发生器用于n型磷掺杂金刚石薄膜制备过程中同时施加温度场，仅将价电子激发到激发态的磷氢键断裂。
其中，飞秒激光垂直作用于金刚石沉积层上表面；所述温度场发生器作用于薄膜生长腔室，对薄膜生长腔室温度进行控制，进而改变金刚石薄膜的表面温度。
如图1所示，在n型磷掺杂金刚石制备工程中，飞秒激光由飞秒激光源生成，再经过激光振镜器后辐照在n型磷掺杂金刚石沉积层表面。
如图1所示，本实施例中，飞秒激光在金刚石沉积层表面的扫描方式为来回扫描方式。金刚石沉积层的长度值为A，宽度值为B。飞秒激光来回一次扫描路径线长度值为A，扫描间距值为Δb，其中Δb小于飞秒激光光斑直径。金刚石每生长一个碳原子层的时间为t。飞秒激光的扫描速度设置为v，v满足关系式：AB＝vtΔb。因此，每生长一个碳原子层的金刚石，飞秒激光就能扫描一次沉积层表面。
如图2所示为在n型磷掺杂金刚石施加飞秒激光场与温度场的微观示意图。微观上，含氢杂质的n型磷掺杂金刚石的模型中，碳与磷形成碳磷键，碳与碳形成碳碳键，磷与氢形成磷氢键。碳磷键用虚线表示，碳碳键用虚线表示，磷氢键用点画线表示。飞秒激光场与温度场同时施加于碳磷键、碳碳键、磷氢键上。温度场通过调控金刚石薄膜生长腔室内的温度来实现。
如图3、图4和图5所示，h为普朗克常数，E11为磷氢键价电子激发态能量，E10为磷氢键价电子基态能量，E21为碳磷键价电子激发态能量，E20为碳磷键价电子基态能量，E31为碳碳键价电子激发态能量，E30为碳碳键价电子基态能量，磷氢键价电子从基态至激发态所需光子能量为hγ1＝E11-E10，γ1为激光频率，碳磷键价电子从基态至激发态所需光子能量为hγ2＝E21-E20，碳碳键价电子从基态至激发态所需光子能量为hγ3＝E31-E30，γ1与γ2的值不相同，γ1与γ3的值不相同，施加飞秒激光场的频率值约为γ1、不同于γ2与γ3的值，即可将磷氢键被激发到激发态，而碳碳键、碳磷键未被激发到激发态。当磷氢键已经被激发到激发态，而碳磷键、碳碳键仍为基态时，磷氢键键长增大、键能降低，磷氢键变弱。
本实施例中，施加温度场，各原子的动能增加。
施加温度场时，将磷氢键断键所需的动能远小于碳磷键与碳碳键的断键能量，因此磷氢键可以在不破坏碳碳键与碳磷键的前提下断裂，进而氢元素将从金刚石层中脱离。
本实施例中，每生长一个碳原子层的金刚石，飞秒激光就能扫描一次沉积层表面，因此，飞秒激光与温度场能保证在整个n型磷掺杂金刚石薄膜的制备过程中，实时的将磷氢键断裂，进而实时的将氢元素从金刚石薄膜中脱离。
本发明中，飞秒激光和温度场相关参数的确定可以利用仿真方法进行确定。如飞秒激光强度、频率以及温度值的范围。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种n型磷掺杂金刚石薄膜制备过程中去除氢杂质的方法，其特征在于：
在n型磷掺杂金刚石薄膜制备过程中同时施加飞秒激光与温度场，飞秒激光仅将n型磷掺杂金刚石薄膜中的磷氢键价电子激发到激发态；温度场仅将价电子激发到激发态的磷氢键断裂；从而去除薄膜中的氢元素。
2.根据权利要求1所述的n型磷掺杂金刚石薄膜制备过程中去除氢杂质的方法，其特征在于：利用仿真方法确定飞秒激光与温度场的相关参数。
3.根据权利要求1所述的n型磷掺杂金刚石薄膜制备过程中去除氢杂质的方法，其特征在于：所述飞秒激光的脉宽为飞秒级。
4.根据权利要求1所述的n型磷掺杂金刚石薄膜制备过程中去除氢杂质的方法，其特征在于：所述飞秒激光与温度场的施加，在时间尺度上上覆盖了n型磷掺杂金刚石薄膜制备全过程。
5.一种n型磷掺杂金刚石薄膜制备过程中去除氢杂质的装置，其特征在于：包括飞秒激光光源、激光振镜器和温度场发生器；
所述飞秒激光光源用于在n型磷掺杂金刚石薄膜制备过程中施加飞秒激光，飞秒激光通过激光振镜器作用于金刚石沉积层表面，仅将n型磷掺杂金刚石薄膜中的磷氢键价电子激发到激发态；
所述温度场发生器用于n型磷掺杂金刚石薄膜制备过程中施加温度场，仅将价电子激发到激发态的磷氢键断裂。
6.根据权利要求5所述的n型磷掺杂金刚石薄膜制备过程中去除氢杂质的装置，其特征在于：所述金刚石沉积层的尺寸与飞秒激光的速度v应满足以下关系：
AB＝vtΔb
其中，金刚石沉积层长度值为A，宽度值为B，飞秒激光来回一次扫描路径线长度值为A，扫描间距值为Δb，Δb小于飞秒激光光斑直径，金刚石每生长一个碳原子层的时间为t。
7.根据权利要求5所述的n型磷掺杂金刚石薄膜制备过程中去除氢杂质的装置，其特征在于：所述飞秒激光垂直作用于金刚石沉积层上表面；所述温度场发生器作用于薄膜生长腔室，对薄膜生长腔室温度进行控制，进而改变金刚石薄膜的表面温度。
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