HFCVD制备工艺对金刚石薄膜电特性的影响

• 作 者: 李海清
• 出 处: 河北工业大学
• 发表日期: 2004年期
• 关键词: 热丝化学气相沉积 掺硼金刚石 电阻率 循环伏安法 工艺条件

作为一种新型多功能材料,金刚石在诸多领域展现出了优异的特性,具有极佳的应用前景。在薄膜制备过程中,通过掺杂硼元素可以得到导电性能优异的掺硼金刚石（BDD）,有助于新型半导体器件的研发。此外,掺硼金刚石可作为电化学阳极材料,具有高电势窗口和低背景电流,在有机物分解、污水处理等方面应用广泛。本文采用热丝化学气相沉积（HFCVD）装置,制备了掺硼金刚石薄膜。研究了衬底温度、氢气流量、掺硼浓度、碳源流量对金刚石成膜质量的影响,分析了电阻率、载流子密度和电化学特性的变化规律。阐述了金刚石薄膜的生长模式,说明了特殊形貌金刚石的形成条件及机理。结果表明:薄膜中心电阻率的均匀性优于边缘区域,且晶粒尺寸增大有利于降低电阻率。在薄膜制备过程中,增大衬底温度为700℃左右,成膜质量提高,电化学窗口变宽,载流子密度增大,电阻率降低;衬底温度太高会降低成膜质量,电特性变差。分析了氢原子产生的机理和对薄膜的影响,氢气流量从170ml·min^-1增大到260ml·min^-1,晶界逐渐清晰,（111）衍射峰强度先增大后降低,电阻率递减,最大电势窗口达到4.2V。少量掺杂硼元素,可以填补生长缺陷,提高成膜质量,改善电化学特性;掺硼浓度达到6g·L^-1时,载流子密度达到1.057×10¹⁴cm^-2,电阻率减小为0.009?·cm,但薄膜致密度变差,杂质增多,电势窗口减小。碳源流量较低时,生长速率慢,但氢原子充分刻蚀非金刚石相,薄膜质量较高,电势窗口大且电阻率低;增大碳源流量为80ml·min^-1,二次形核严重,出现大量球形金刚石。实验还表明:BDD电极的电化学特性和薄膜质量直接相关,且BDD电极在酸、盐、碱性溶液中的析氧电位呈递减趋势。通过对薄膜横截面的观察,得出微晶柱状生长和微晶晶粒堆积两种生长模式。五边形凹坑和V形槽结构是由孪晶缺陷形成的正十面体、正二十面体金刚石,球形金刚石由杂质和微晶金刚石组成,主要由二次形核作用产生。综上可知,当衬底温度680℃⁷30℃,氢气流量200²30ml·min^-1,掺硼浓度2g·L^-1,碳源流量50⁶0ml·min^-1时,金刚石成膜质量较高,电特性优异。