纳米金刚石膜的p型掺杂与电性能检测

摘要

纳米金刚石(Nano-crystalline Diamond,NCD)薄膜原位掺硼后具有p型半导体的特性，可以作为大功率半导体器件的p型层应用到半导体领域。本文主要采用微波等离子体化学气相沉积法沉积NCD薄膜本征层，然后在该本征层上进行掺硼实验，并对其中的内在规律和微观机理进行探讨，实验结果将为纳米金刚石基半导体器件的制作提供实验指导。
　　在NCD薄膜本征层的制备过程中发现，较高甲烷浓度（8％）时等离子体中的二聚体C2吸附于衬底表面形核，产生较多的活性位和二次形核位点，既可以提高金刚石的形核密度，又可以抑制金刚石晶粒的长大；随着反应气体中Q(H2)∶Q(Ar)流量比的减小，沉积金刚石薄膜的平均晶粒尺寸由微米级逐渐转变为纳米级，膜层的生长速率也在不断减小。
　　较低的反应气压(2.5kPa)不仅有利于增加NCD薄膜的二次形核几率，还有利于沉积晶粒尺寸均匀、表面平整度高的NCD薄膜；微波功率过高(5kW)和过低(2kW)都不利于沉积较高平整度NCD薄膜，只有适中的功率(3.5kW)才有利于制备晶粒尺寸均匀致密的NCD薄膜。通过对上述NCD薄膜沉积工艺之间影响规律的探讨，对其工艺参数进行优化，最终在甲烷浓度8%，沉积气压为2.5kPa，微波功率为3.5kW，Q(H2)∶Q(Ar)流量比为10∶89，基底温度为700℃条件下生长10h沉积得到NCD薄膜的平均粒径尺寸为68.4nm、表面粗糙度为8.28nm。
　　在NCD薄膜原位掺硼进程中发现，掺硼浓度逐渐增加时，掺硼NCD薄膜表面粗糙度逐渐变大，颗粒的均匀度也随之降低，薄膜表面上的硼原子浓度也在逐渐增大，表面电阻则是先减小后趋于平衡，而空穴迁移率则先增大后趋于平衡，在掺硼浓度为300ppm时达到平衡，此时对应的电阻和空穴迁移率分别为250Ω/□和4600cm2/V·s。这表明在本研究所用的掺硼工艺条件范围内，薄膜表面的硼原子随着气相中掺硼浓度的增加，其数量也在不断增多，但并非所有的硼原子都能对薄膜的导电和迁移率做出贡献，当气相中的掺硼浓度超过一定值（300ppm）后，继续进入薄膜内部的硼原子已经不再对薄膜的电性能做出贡献，薄膜中的有效硼原子浓度存在一个上限值，即饱和浓度。
　　在衬底温度不断上升的过程中，掺硼NCD薄膜表面硼原子浓度先增大后趋于稳定，表面电阻随之减小，而空穴迁移率却在逐渐增大，通过四探针电阻测试仪和多载流子分析系统测试发现衬底温度在850℃时表面电阻和空穴迁移率为300Ω/□和3500cm2/V·s。

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