CN112687542A - 一种氢终端金刚石转化为氟终端金刚石的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氢终端金刚石转化为氟终端金刚石的方法，包括以下步骤：S1、在预处理后的氢终端金刚石衬底的顶面制备源极和漏极，且源极和漏极均与氢终端金刚石衬底形成欧姆接触；S2、在源极和漏极之间的氢终端金刚石衬底的顶面上，沉积有LiF介质层；S3、将氢终端金刚石衬底的顶面上，除去源极、漏极和LiF介质层所覆盖的区域之外，剩余的区域均处理成不导电的氧终端隔离区；S4、在LiF介质层和氧终端隔离区上方接触制备连续的栅极，完成氢终端场效应晶体管的制备；S5、对步骤S4得到的氢终端场效应晶体管加电，则在氢终端金刚石衬底上有部分氢终端金刚石转化为氟终端金刚石。解决了现有形成氟终端金刚石的方法较复杂，且恶化其电、化性能的问题。

Description

一种氢终端金刚石转化为氟终端金刚石的方法

【技术领域】

本发明属于半导体表面处理技术领域，具体涉及一种氢终端金刚石转化为氟终端金刚石的方法。

【背景技术】

金刚石表面经过修饰技术处理以后，会形成不同的表面终端，如氢终端、氧终端、氟终端等。不同表面终端的金刚石具有不同的性质。氢终端金刚石表面以下10纳米范围存在一层二维空穴气层(2DHG)，该2DHG的空穴浓度可达10¹³cm^-2，迁移率可达150-200cm²/vs，足够制备电子器件的要求；氧终端金刚石具有良好的绝缘性和亲水性，使得其在电气性能隔绝、化学反应等领域具有广泛的应用；氟终端金刚石具有较高的电子亲合势，使其易于同金属形成肖特基结，广泛使用于电子器件领域；氟终端金刚石具有超疏水性、优异的荧光特性，使其广泛应用于生物医学成像、药物输运领域；氟终端金刚石具有最宽的电位范围，使其应用于生物和化学传感器领域；氟终端金刚石具有较低的摩擦系数、较高的硬度、抗氧化等优点，使其广泛应用于涂层材料领域，大大提高了材料的可靠性和寿命；氟终端金刚石还可作为固态量子模拟器的平台。因此氟终端金刚石成为可以替代氢终端和氧终端金刚石的材料，具有优异的性能。

目前，形成氟终端金刚石的方法有很多，如将金刚石表面暴露在含有氟原子的气体(F、F₂、HF、XeF₂)、分子(碳氟化合物、氟富勒烯类)或等离子体(CF、CHF₃、C₄F₈)中形成氟终端金刚石。但是，这些技术相对复杂，并对金刚石表面刻蚀，使得金刚石表面粗糙度增大，从而恶化氢终端金刚石的电学、化学等性能。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种氢终端金刚石转化为氟终端金刚石的方法，以解决现有形成氟终端金刚石的方法较复杂，且恶化其电、化性能的问题。

本发明采用以下技术方案：一种氢终端金刚石转化为氟终端金刚石的方法，包括以下步骤：

S1、在预处理后的氢终端金刚石衬底的顶面制备源极和漏极，且源极和漏极均与氢终端金刚石衬底形成欧姆接触，源极和漏极为间隔、并列设置；

S2、在源极和漏极之间的氢终端金刚石衬底的顶面上，沉积有LiF介质层；

S3、将氢终端金刚石衬底的顶面上，除去源极、漏极和LiF介质层所覆盖的区域之外，剩余的区域均处理成不导电的氧终端隔离区；

S4、在LiF介质层和氧终端隔离区上方接触制备连续的栅极，完成氢终端场效应晶体管的制备；

S5、对步骤S4得到的氢终端场效应晶体管加电，则在氢终端金刚石衬底上有部分氢终端金刚石转化为氟终端金刚石，氟终端金刚石形成的区域边界，与栅极和LiF介质层重叠的区域边界相同。

进一步的，步骤S5结束之后，除去源极、漏极、栅极和LiF介质层，得到部分表面为氟终端的氢终端金刚石。

进一步的，对步骤S4得到的氢终端场效应晶体管加电的具体方法为，在源极和栅极上加负偏压，漏极加正偏压，使氢终端场效应晶体管处于开通状态，随着栅极负偏压的增大和测试次数的增加，在氢终端金刚石衬底和LiF介质层接触面处完成氢终端金刚石转变为氟终端金刚石的电化学反应。

进一步的，氢终端金刚石衬底为本征金刚石材料，表面粗糙度小于10nm，在表面下形成一层二维空穴气，其载流子浓度为10⁷-10¹⁵cm²，迁移率大于5cm²/V·s。

进一步的，源极和漏极是良好的导电体，源极和漏极均与氢终端金刚石衬底直接形成欧姆接触，或者退火后形成欧姆接触。

本发明的有益效果是：本发明是在氢终端金刚石表面沉积一层LiF材料，在电的作用下，使得LiF中的F原子在金刚石和LiF的接触面处富集，并发生电化学反应，使得金刚石表面的C-H键转化为C-F键，实现氢终端金刚石转变为氟终端金刚石，保证了处理前后金刚石表面粗糙度不变化。

【附图说明】

图1为本发明一种氢终端金刚石转化为氟终端金刚石的方法的氢终端金刚石衬底的结构示意图；

图2-1和图2-2分别为本发明一种氢终端金刚石转化为氟终端金刚石的方法中经步骤S1处理后得到的结构的主视图和俯视图；

图3-1和图3-2分别为本发明一种氢终端金刚石转化为氟终端金刚石的方法中经步骤S2处理后得到的结构的主视图和俯视图；

图4-1和图4-2分别为本发明一种氢终端金刚石转化为氟终端金刚石的方法中经步骤S4处理后得到的结构的主视图和俯视图；

图5-1和图5-2分别为本发明一种氢终端金刚石转化为氟终端金刚石的方法得到氟终端金刚石区后的主视图和俯视图；

图6为本发明实施例得到的氟终端金刚石区经X射线光电子能谱测试的结果。

其中，1.氢终端金刚石衬底，2.源极，3.LiF介质层，4.氧终端隔离区，5.

栅极，6.氟终端金刚石区，7.漏极。

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种氢终端金刚石转化为氟终端金刚石的方法，包括以下步骤：

S1、如图1、图2-1和图2-2所示，在预处理后的氢终端金刚石衬底1的顶面制备源极2和漏极7，且源极2和漏极7均与氢终端金刚石衬底1形成欧姆接触，源极2和漏极7为间隔、并列设置；预处理的方法为对氢终端金刚石衬底1进行清洗，并吹干。

S2、在源极2和漏极7之间的氢终端金刚石衬底1的顶面上，沉积有连续的LiF介质层3。如图3-1和图3-2所示，LiF介质层3的两端可以延伸至源极2的顶面和漏极7的顶面。

S3、如图4-1和图4-2所示，将氢终端金刚石衬底1顶面上，除去源极2、漏极7和LiF介质层3所覆盖的区域，剩余的区域均处理成不导电的氧终端隔离区4。

S4、在LiF介质层3和氧终端隔离区4上方接触制备连续的栅极5，完成氢终端场效应晶体管的制备。如图4-1和图4-2所示，具体可以在源极2和漏极7之间、位于LiF介质层3和氧终端隔离区4上制备连续的栅极5，完成氢终端场效应晶体管的制备；

S5、如图5-1和图5-2所示，对步骤S4得到的氢终端场效应晶体管加电，则在氢终端金刚石衬底1上有部分氢终端金刚石转化为氟终端金刚石6，氟终端金刚石6形成的区域边界，与栅极5和LiF介质层3重叠的区域边界相同。

S6、如图5-1和图5-2所示，步骤S5结束之后，除去栅极5和LiF介质层3，即可裸露出氟终端金刚石区6。最终，除去源极2和漏极7之后，得到部分表面为氟终端的氢终端金刚石。

其中，对步骤S4得到的氢终端场效应晶体管加电的具体方法为，在源极2、漏极7和栅极5上加负偏压，使氢终端场效应晶体管处于开通状态，随着栅极5负偏压的增大和测试的增加，在氢终端金刚石衬底1和LiF介质层3接触面处完成氢终端金刚石转变为氟终端金刚石的电化学反应。

氟终端金刚石6的面积的大小可以通过调节源极2、漏极7和栅极5的面积来实现。但是调节过程中要保持各部分的形状和相对位置关系不变，即保持如图4-1所示的相对位置关系，栅极5不能与氢终端金刚石衬底1有接触。

氢终端金刚石衬底1为本征金刚石材料，表面粗糙度小于10nm，在表面下形成一层二维空穴气，其载流子浓度为10⁷-10¹⁵cm²，迁移率大于5cm²/V·s。源极2和漏极7是良好的导电体，源极2和漏极7均与氢终端金刚石衬底1直接形成欧姆接触，或者退火后形成欧姆接触。

实施例

一种氢终端金刚石转化为氟终端金刚石的方法包含如下步骤：

1)使用酒精、丙酮、去离子水对氢终端金刚石衬底1进行清洗，使用氮气吹干，经上述处理后的氢终端金刚石衬底1即称为样品。

2)在样品表面旋涂一层AZ5214光刻胶，然后将样品至于100℃热板加热90秒，然后使用紫外曝光机5秒，然后将样品浸泡显影液中60秒，完成源漏极图形转移到样品上；使用电子束蒸发在样品表面沉积一层100nm的金，实验条件为：腔压5×10^-4Pa，室温；然后将样品浸泡在丙酮中，对样品进行剥离，获得源极2和漏极7。

3)在样品表面旋涂一层AZ5214光刻胶，然后将样品至于100℃热板加热90秒，然后使用紫外曝光机5秒，然后将样品浸泡显影液中60秒，完成LiF介质层图形转移到样品上；使用电子束蒸发在样品表面沉积一层60nm的LiF介质层3，实验条件为：腔压5×10^-4Pa，室温；然后将样品浸泡在丙酮中，对样品进行剥离，获得LiF介质层3。

4)使用紫外臭氧设备照射样品表面，照射时间为20分钟，使得裸露的金刚石表面转化为氧终端隔离区4。

5)在样品表面旋涂一层AZ5214光刻胶，然后将样品至于100℃热板加热90秒，然后使用紫外曝光机5s，然后将样品浸泡显影液中60秒，完成栅极图形转移到样品上；使用电子束蒸发在样品表面沉积一层150nm的铝栅极，实验条件为：腔压5×10^-4Pa，室温；然后将样品浸泡在丙酮中，对样品进行剥离，获得栅极5，完成常规氢终端金刚石场效应晶体管的制备。

6)对氢终端金刚石场效应晶体管加电进行电化学反应；

7)使用氢氟酸对样品进行清洗，除去栅极5和LiF介质层3，将氟终端金刚石区6裸露出来。

制备完毕后，使用X射线光电子能谱检测氟终端金刚石区6是否完成氢终端金刚石转化氟终端金刚石，测试结果如图6所示，从图6中看出，存在氟的峰，说明本实施例的方法实现了由氢终端金刚石到氟终端金刚石的转化。

本发明的*是在氢终端金刚石表面沉积一层LiF材料，在电的作用下，使得LiF中的F原子在金刚石和LiF的接触面处富集，并发生电化学反应，使得金刚石表面的C-H键转化为C-F键，实现氢终端金刚石转变为氟终端金刚石，保证了处理前后金刚石表面粗糙度不变化。

Claims (5)

1.一种氢终端金刚石转化为氟终端金刚石的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在预处理后的氢终端金刚石衬底(1)的顶面制备源极(2)和漏极(7)，且所述源极(2)和漏极(7)均与氢终端金刚石衬底(1)形成欧姆接触，所述源极(2)和漏极(7)为间隔、并列设置；

S2、在所述源极(2)和所述漏极(7)之间的氢终端金刚石衬底(1)的顶面上，沉积有LiF介质层(3)；

S3、将氢终端金刚石衬底(1)的顶面上，除去所述源极(2)、漏极(7)和LiF介质层(3)所覆盖的区域之外，剩余的区域均处理成不导电的氧终端隔离区(4)；

S4、在所述LiF介质层(3)和所述氧终端隔离区(4)上方接触制备连续的栅极(5)，完成氢终端场效应晶体管的制备；

S5、对步骤S4得到的氢终端场效应晶体管加电，则在所述氢终端金刚石衬底(1)上有部分所述氢终端金刚石转化为氟终端金刚石(6)，所述氟终端金刚石(6)形成的区域边界，与栅极(5)和所述LiF介质层(3)重叠的区域边界相同。

2.如权利要求1所述的一种氢终端金刚石转化为氟终端金刚石的方法，其特征在于，所述步骤S5结束之后，除去所述源极(2)、漏极(7)、栅极(5)和LiF介质层(3)，得到部分表面为氟终端的氢终端金刚石。

3.如权利要求1或2所述的一种氢终端金刚石转化为氟终端金刚石的方法，其特征在于，对所述步骤S4得到的氢终端场效应晶体管加电的具体方法为，在所述源极(2)和栅极(5)上加负偏压，漏极(7)加正偏压，使所述氢终端场效应晶体管处于开通状态，随着栅极(5)负偏压的增大和测试次数的增加，在氢终端金刚石衬底(1)和LiF介质层(3)接触面处完成氢终端金刚石转变为氟终端金刚石的电化学反应。

4.如权利要求1或2所述的一种氢终端金刚石转化为氟终端金刚石的方法，其特征在于，所述的氢终端金刚石衬底(1)为本征金刚石材料，表面粗糙度小于10nm，在表面下形成一层二维空穴气，其载流子浓度为10⁷-10¹⁵cm²，迁移率大于5cm²/V·s。

5.如权利要求1或2所述的一种氢终端金刚石转化为氟终端金刚石的方法，其特征在于，所述的源极(2)和漏极(7)是良好的导电体，所述源极(2)和漏极(7)均与氢终端金刚石衬底(1)直接形成欧姆接触，或者退火后形成欧姆接触。

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