2024年5月27日发(作者：书雅素)
第
26
卷 第
4
期
2005
年
4
月
半 导 体 学 报
CHINESEJOURNALOFSEMICONDUCTORS
Vol.26
No.4
Apr.,2005
Al
2
O
3
陶瓷上金刚石膜生长工艺优化
3
α
及粒子响应
楼燕燕 王林军 张明龙 顾蓓蓓 苏青峰 夏义本
(
上海大学材料科学与工程学院
,
上海
200072
)
摘要
:
采用微波等离子体化学气相沉积
(
MPCVD
)
法在氧化铝陶瓷衬底上沉积金刚石膜
,
并制作梳状电极的
α
粒
子探测器
.
通过优化薄膜生长条件
,
发现酒精浓度为
0
1
8%
、沉积温度为
850
℃时
,
金刚石薄膜的介电常数最接近单
晶金刚石膜
,X
射线衍射、喇曼光谱及扫描电子显微镜测试表明金刚石膜的质量较好
.
探测器的
I
2
V
测试结果表明
暗电流在
10
-8
～
10
-7
A
之间
α
,
粒子
(
241
Am5
1
5MeV
)
辐照下电流为
10
-5
～
10
-4
A.
关键词
:
粒子探测器
;
金刚石
;
介电系数
;
氧化铝
PACC:7280C;0670D
EEACC:8220B
中图分类号
:O572
1
11
文献标识码
:A
文章编号
:0253
2
4177
(
2005
)
04
2
0740
2
05
大量缺陷
,
影响该类器件的广泛应用
.
为探索金刚石
1
引言
金刚石禁带宽度为
5
1
5eV,
截止波长为
227nm,
具有太阳盲区的特性
,
且辐射硬度及击穿场强都很
高
,
是高能粒子
(
射线
)
探测器的理想材料之一
.
金刚
石探测器
[1
～
4]
因其优异的物理、化学及机械性能适
用于极端恶劣的环境
,
如宇宙射线探测、核废料辐射
探测、准分子激光束监测等
.
近二十年来
,CVD
技术的发展越来越成熟
,
使
生长大面积高质量多晶金刚石膜成为可能
[5,6]
.
由
于硅与金刚石的晶格匹配较好
,
且硅技术发展成熟
,
故目前用于探测器的金刚石膜绝大多数是在硅片上
生长的
.
然而
,Si
衬底的存在会严重影响金刚石薄
膜探测器的性能
,
所以无衬底支撑金刚石薄膜是理
想的探测器结构
.
因此
,
为提高多晶金刚石薄膜的质
量
,
许多研究者都设法除去硅衬底
,
减少硅元素对薄
膜质量的影响
.
然而单纯的金刚石薄膜是多晶结构
,
机械强度不高
,
且容易在制作探测器的过程中引入
薄膜探测器发展的新途径
,
有研究者
[7]
采用凳子型
结构以弥补无衬底支撑金刚石薄膜结构的不足
,
本
文则首次尝试采用以
Al
2
O
3
陶瓷片为衬底的金刚
石薄膜来制作探测器
.
与金刚石膜
/
硅片材料的探测
器相比
,
金刚石膜
/Al
2
O
3
探测器具有更强的耐酸碱
腐蚀的特性
,
有更好的热导率
,
更高的机械强度
,
适
应范围更广
.
本文通过测定金刚石薄膜的介电常数
,
优化金
刚石薄膜的生长工艺参数包括碳源浓度、沉积温度
等
,
同时用
X
射线衍射
(
XRD
)
、喇曼光谱、扫描电子
显微镜
(
SEM
)
分析金刚石膜的质量
,
并对梳状金刚
石膜
/Al
2
O
3
探测器做了
I
2
V
特性测试
.
2
实验
采用
MPCVD
法在经过碳离子束注入的
Al
2
O
3
陶瓷片上生长晶粒尺寸约二十几微米的多晶金刚石
薄膜
.
图
1
给出了氧化铝衬底上金刚石膜表面的
3国家自然科学基金
(
批准号
:60277024
)
,
上海市青年科技启明星
(
批准号
:02QE14018
)
,
上海应用材料研究与发展基金
(
批准号
:0307
)
资助项目
楼燕燕 女
,1980
年出生
,
硕士研究生
,
现从事
CVD
金刚石膜紫外探测器研究
.
王林军 男
,1968
年出生
,
副教授
,
主要从事功能薄膜材料与器件的研究
.
夏义本 男
,1942
年出生
,
教授
,
博士生导师
,
主要从事功能薄膜材料与器件的研究
.
2004
2
04
2
21
收到
,2004
2
07
2
19
定稿Ζ
2005
中国电子学会
第
4
期楼燕燕等
:
Al
2
O
3
陶瓷上金刚石膜生长工艺优化及
α
粒子响应
741
SEM
形貌图
.
图
1
氧化铝衬底上金刚石表面的
SEM
形貌图
Fig.1
SEMpictureofdiamondfilmonAl
2
O
3
所使用的
Al
2
O
3
陶瓷基片主晶相为
α
2
Al
2
O
3
,
纯度为
95%,
平均晶粒尺寸约
2
μ
m,
厚度为
0
1
4mm.
金刚石的晶体结构与氧化铝陶瓷相差甚
远
,
热膨胀系数也存在较大差异
,
在降温过程中界面
处会产生很大的热应力
.
如果不经过适当的表面处
理
,
生长的金刚石薄膜会因为界面处的应力集中而
发生开裂甚至脱落
.
采用我们提出的碳离子注入技
术
[8,9]
对氧化铝陶瓷表面进行处理
,
可以缓解金刚
石膜与氧化铝之间的应力集中
.
这不仅提高了金刚
石薄膜与氧化铝衬底的附着力
,
同时降低了金刚石
膜中的残余应力
,
从而使在氧化铝陶瓷衬底上沉积
相当厚度的金刚石薄膜成为可能
.
经过
C
12
+
离子束轰击的
Al
2
O
3
并没有产生新
的相
,
且氧化铝表面没有明显的非晶化倾向
.
碳离子
注入过程对退火气氛、退火温度和退火时间十分敏
感
.
在氮气等惰性气氛中
1050
℃高温退火
30min
有
利于碳元素向表面的扩散聚集
,
使氧化铝中产生的
压应力集中于衬底表面
,
改善薄膜与衬底的附着特
性
.
在用
MPCVD
法沉积金刚石膜之前
,
我们用金
刚石粉的丙酮悬浊液对氧化铝陶瓷基片表面进行超
声处理以提高成核密度
.
通过优化
MPCVD
的各种
参数
,
得到具有一定厚度的高质量金刚石膜
.
用
H
2
O
2
和浓
H
2
SO
4
混合溶液对金刚石薄膜
进行氧化处理
,
以除去薄膜表面的含氢导电层
.
用溅
射法沉积厚度约
200nm
的
Au/Cr
复合金属层
,
使
用标准光刻技术制成梳状电极结构
,
条宽及间距都
是
150
μ
m.
图
2
为部分梳状结构的光学显微镜
(
OLYMPOS/BX60F5
)
图
(
放大
100
倍
)
.
用红外椭圆偏振光谱仪
(
2
1
5
～
12
1
5
μ
m
)
对金刚
石膜的光学参数进行表征
,
得到了最优化的碳源浓
度和衬底温度
.
金刚石薄膜的
XRD
测试采用的是
图
2
部分梳状结构光学显微镜图
Fig.2
Partofinterdigiteddetectorbyopticalmicro
2
scope
RigakuD/Max
2
3C
型
X
射线衍射仪
.Raman
光谱则
是由
SPEX
2
1403
型
Raman
光谱仪采用背散射方式
在室温下测得的
.
I
2
V
特性测试采用
Keithley4200
2
SCS
半导体性能表征系统
.
α
粒子源是特征能量为
5
1
5MeV
的
241
Am
源
.
3
结果与讨论
3.1
氧化铝陶瓷上金刚石薄膜的生长工艺优化
方志军
[10,11]
等人在考虑了金刚石薄膜表面粗
糙度、空隙和杂质等影响的基础上
,
建立了四层结构
的模型
:
(
氧化铝
)
|
(
氧化铝
+
金刚石
+sp
2
碳
+
空
隙
)
|
(
金刚石
+sp
2
碳
)
|
(
金刚石
+sp
2
碳
+
空隙
)
,
对薄膜的红外椭偏光学参量进行了拟合
,
并计算了
薄膜的介电系数和杂质含量
.
结果表明
:
金刚石膜的
介电常数在红外波段基本保持恒定
,
但对薄膜中
sp
2
等非金刚石相的含量比较敏感
;
随着
sp
2
杂质含
量的上升
,
金刚石膜的介电系数也相应增高
.
因此
,
我们可以通过测试金刚石膜的介电常数来摸索氧化
铝上生长金刚石薄膜的沉积工艺包括碳源浓度、衬
底温度等
.
图
3
给出了金刚石薄膜介电系数随沉积过程中
碳源浓度的变化情况
.
从图中可以看出
,
金刚石薄膜
的介电系数在整个波段范围内变化比较平稳
,
且随
碳源浓度的升高而上升
.
这主要是因为当碳源浓度
升高时
,
金刚石薄膜中的
sp
2
碳等非金刚石相杂质
的含量也增高
,
从而使薄膜的介电系数上升
.
图
4
给出了沉积温度对介电系数的影响
.
沉积
温度过低时所得薄膜中金刚石相含量少
,
大部分是
以
sp
2
等非金刚石碳形式存在
,
这些杂质的存在会
742
半 导 体 学 报第
26
卷
图
3
金刚石薄膜介电系数随沉积过程中碳源浓度的变化
Fig.3
Dependenceofdielectriccoefficientofdiamond
filmsoncarbonsourceconcentration
使薄膜的介电系数偏高
.
当温度逐渐升高
,
沉积薄膜
的质量不断提高
,
薄膜中金刚石含量增高
,sp
2
等非
金刚石杂质含量由于原子氢的加速刻蚀而变得很
少
,
此时薄膜的介电性质逐步接近
5
1
7.
当温度过分
升高时
,
由于金刚石表面起稳定作用的
C
—
H
键发
生断裂而使薄膜发生石墨化
,
从而使薄膜中的
sp
2
碳等非金刚石杂质的含量又趋于上升
,
则介电系数
也随之增高
.
图
4
金刚石薄膜介电常数随沉积过程中衬底温度的变化
Fig.4
Dependenceofdielectriccoefficientofdiamond
filmsonthedepositiontemperature
从上面得到的结果可知
,
在
MPCVD
工艺条件
下
,
碳源浓度为
0
1
8%,
沉积温度为
850
℃时
,
在氧化
铝衬底上得到的金刚石薄膜中
sp
2
等非金刚石杂质
含量最少
,
薄膜的质量最好
.
3.2
金刚石薄膜的表征
我们对采用优化条件生长的金刚石薄膜做了
X
射线衍射及喇曼光谱分析
.
图
5
给出了氧化铝衬底
上生长金刚石薄膜的
X
射线衍射图
,
由图可以看出
金刚石薄膜的取向是任意的
,
但绝大多数是沿
(
111
)
方向
.
图
5
氧化铝衬底上金刚石薄膜的
X
射线衍射图
Fig.5
X
2
raypatternofdiamondfilmsonAl
2
O
3
图
6
中曲线
a
和
b
分别表示人造金刚石和氧化
铝陶瓷衬底上金刚石薄膜的
Raman
光谱
.
曲线
b
中
出现清晰的金刚石特征峰
,
有不明显的背景光谱
.
这
说明金刚石膜的质量较好
,
但含有少量的
sp
2
非金
刚石相
.
对比
a
和
b
可以看出
,
氧化铝上金刚石膜的
Raman
散射峰向高波数方向漂移
,
这是因为该薄膜
中存在压应力的缘故
.
图
6
Raman
光谱 曲线
a
:
人造金刚石
;
曲线
b
:
氧化铝上金
刚石膜
Fig.6
Ramanspectrum
Curve
a
:syntheticdiamond;
Curve
b
:diamondfilmonAl
2
O
3
3.3
电学性能的测试
入射到金刚石上的带电粒子或光子能量大于禁
带宽度时
,
将会在金刚石内起离化作用
,
产生电子2
空穴对
.
这些载流子被电极间的电场分隔开来
,
部分
被金刚石内的缺陷、晶界捕获
,
形成空间电荷
,
其他
则被电极收集
,
形成光导电流
.
图
7
给出了我们研制的金刚石膜
/
氧化铝探测
器的
I
2
V
特性测试结果
.
横坐标是加在梳状电极上
的电压
,
纵坐标是所测的电流
,
曲线
a
是
α
粒子光电
流分布
,
约为
10
-5
～
10
-4
A;
曲线
b
是暗电流分布
,
第
4
期楼燕燕等
:
Al
2
O
3
陶瓷上金刚石膜生长工艺优化及
α
粒子响应
743
在
10
-8
～
10
-7
A
之间
.
图
7
电流随电压的变化情况 曲线
a
α
:
粒子光电流分布
;
曲
线
b
:
暗电流分布
Fig.7
Current
2
voltagecharacteristicsofdiamondfilm
onAl
2
O
3
underthe
α
2
particleirradiation
(
curve
a
)
and
inthedark
(
curve
b
)
影响电流分布的原因很多
,
其中分布在多晶薄
膜内的晶内缺陷、杂质及晶界密度等都会影响金刚
石薄膜的光导性能
.
晶内的杂质或缺陷会在禁带中
引入深能级
,
作为光生载流子的陷获或复合中心
,
而
晶界则会散射带电载流子和声子
,
限制载流子的传
输性能
.
4
结论
采用
MPCVD
法在氧化铝陶瓷衬底上沉积金
刚石膜
,
并制作梳状电极的
α
粒子探测器
.
通过优化
金刚石膜的生长条件
,
发现碳源浓度为
0
1
8%
、沉积
温度为
850
℃时
,
金刚石薄膜的介电常数最接近
5
1
7,sp
2
非金刚石相的含量最少
.XRD
测试分析表
明
,
金刚石薄膜的取向是多方向的
,
但绝大多数是沿
(
111
)
方向
.
同时
,
通过与单晶金刚石的喇曼光谱曲
线对比发现
,
研制的氧化铝上金刚石膜的质量较好
.
探测器的
I
2
V
测试结果表明暗电流在
10
-8
～
10
-7
A
之间
α
,
粒子
(
241
Am5
1
5MeV
)
辐照下电流为
10
-5
～
10
-4
A.
参考文献
[1]
BizzarriA,BoganiF,BruzziM,scenceandcon
2
InstrumMethodsPhysResA,1999,426:169
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元光
,
金亿鑫
,
金长春
,
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半导体学报
,1997,18
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陈光华
,
蔡让岐
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宋雪梅
,
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多孔硅衬底微波
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bon,2003,41
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5
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:967
744
半 导 体 学 报第
26
卷
OptimizationforGrowthofCVDDiamondonAl
2
O
3
andResponse
toAlphaParticleIrradiation
3
LouYanyan,WangLinjun,ZhangMinglong,GuBeibei,SuQingfeng,andXiaYiben
(
SchoolofMaterialsScienceandEngineering,ShanghaiUniversity,Shanghai
200072
,China
)
Abstract:Adiamondfilmisgrownonaluminaceramicbymicro
2
waveplasmachemicalvapordeposition
(
MPCVD
)
methodand
isfabricatedintoaninterdigitedalpha
2
mizinggrowthparametersinMPCVD,wefindthatunderthe
conditionswith0
1
8%incarbonsource
(
alcohol/hydrogen
)
concentrationand850
℃
atdepositiontemperature,thebestquality
ofdiamondfilmcanbeobtained.X
2
raydiffraction,Ramanspectroscopy,scanelectronmicroscopyareutilizedtomonitorthe
urrentunder
α
2
particleirradiationisintherangeof10
-5
～
10
-4
Awithin100V,anddarkcurrent
isabout10
-8
～
10
-7
A.
Keywords:particledetector;diamond;dielectriccoefficient;Al
2
O
3
PACC:7280E;0670D
EEACC:8220B
ArticleID:0253
2
4177
(
2005
)
04
2
0740
2
05
3
ProjectsupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina
(
No.60277024
)
,RisingStarProjectsofShanghai
(
No.02QE14018
)
,and
ShanghaiFoundationofAppliedMaterialsResearchandDevelopment
(
No.0307
)
LouYanyan
female,wasbornin1980,terestedinworkingwithUVdetectorsofCVDdiamond.
WandLinjun
male,wasbornin1968,vice
2
terestedinworkingwithfunctionalthinfilmsandrelateddevices.
XiaYiben
male,wasbornin1942,terestedinworkingwithfunctionalthinfilmsandrelated
devices.
Received21April2004,revisedmanuscriptreceived19July2004
Ζ
2005ChineseInstituteofElectronics
2024年5月27日发(作者：书雅素)
第
26
卷 第
4
期
2005
年
4
月
半 导 体 学 报
CHINESEJOURNALOFSEMICONDUCTORS
Vol.26
No.4
Apr.,2005
Al
2
O
3
陶瓷上金刚石膜生长工艺优化
3
α
及粒子响应
楼燕燕 王林军 张明龙 顾蓓蓓 苏青峰 夏义本
(
上海大学材料科学与工程学院
,
上海
200072
)
摘要
:
采用微波等离子体化学气相沉积
(
MPCVD
)
法在氧化铝陶瓷衬底上沉积金刚石膜
,
并制作梳状电极的
α
粒
子探测器
.
通过优化薄膜生长条件
,
发现酒精浓度为
0
1
8%
、沉积温度为
850
℃时
,
金刚石薄膜的介电常数最接近单
晶金刚石膜
,X
射线衍射、喇曼光谱及扫描电子显微镜测试表明金刚石膜的质量较好
.
探测器的
I
2
V
测试结果表明
暗电流在
10
-8
～
10
-7
A
之间
α
,
粒子
(
241
Am5
1
5MeV
)
辐照下电流为
10
-5
～
10
-4
A.
关键词
:
粒子探测器
;
金刚石
;
介电系数
;
氧化铝
PACC:7280C;0670D
EEACC:8220B
中图分类号
:O572
1
11
文献标识码
:A
文章编号
:0253
2
4177
(
2005
)
04
2
0740
2
05
大量缺陷
,
影响该类器件的广泛应用
.
为探索金刚石
1
引言
金刚石禁带宽度为
5
1
5eV,
截止波长为
227nm,
具有太阳盲区的特性
,
且辐射硬度及击穿场强都很
高
,
是高能粒子
(
射线
)
探测器的理想材料之一
.
金刚
石探测器
[1
～
4]
因其优异的物理、化学及机械性能适
用于极端恶劣的环境
,
如宇宙射线探测、核废料辐射
探测、准分子激光束监测等
.
近二十年来
,CVD
技术的发展越来越成熟
,
使
生长大面积高质量多晶金刚石膜成为可能
[5,6]
.
由
于硅与金刚石的晶格匹配较好
,
且硅技术发展成熟
,
故目前用于探测器的金刚石膜绝大多数是在硅片上
生长的
.
然而
,Si
衬底的存在会严重影响金刚石薄
膜探测器的性能
,
所以无衬底支撑金刚石薄膜是理
想的探测器结构
.
因此
,
为提高多晶金刚石薄膜的质
量
,
许多研究者都设法除去硅衬底
,
减少硅元素对薄
膜质量的影响
.
然而单纯的金刚石薄膜是多晶结构
,
机械强度不高
,
且容易在制作探测器的过程中引入
薄膜探测器发展的新途径
,
有研究者
[7]
采用凳子型
结构以弥补无衬底支撑金刚石薄膜结构的不足
,
本
文则首次尝试采用以
Al
2
O
3
陶瓷片为衬底的金刚
石薄膜来制作探测器
.
与金刚石膜
/
硅片材料的探测
器相比
,
金刚石膜
/Al
2
O
3
探测器具有更强的耐酸碱
腐蚀的特性
,
有更好的热导率
,
更高的机械强度
,
适
应范围更广
.
本文通过测定金刚石薄膜的介电常数
,
优化金
刚石薄膜的生长工艺参数包括碳源浓度、沉积温度
等
,
同时用
X
射线衍射
(
XRD
)
、喇曼光谱、扫描电子
显微镜
(
SEM
)
分析金刚石膜的质量
,
并对梳状金刚
石膜
/Al
2
O
3
探测器做了
I
2
V
特性测试
.
2
实验
采用
MPCVD
法在经过碳离子束注入的
Al
2
O
3
陶瓷片上生长晶粒尺寸约二十几微米的多晶金刚石
薄膜
.
图
1
给出了氧化铝衬底上金刚石膜表面的
3国家自然科学基金
(
批准号
:60277024
)
,
上海市青年科技启明星
(
批准号
:02QE14018
)
,
上海应用材料研究与发展基金
(
批准号
:0307
)
资助项目
楼燕燕 女
,1980
年出生
,
硕士研究生
,
现从事
CVD
金刚石膜紫外探测器研究
.
王林军 男
,1968
年出生
,
副教授
,
主要从事功能薄膜材料与器件的研究
.
夏义本 男
,1942
年出生
,
教授
,
博士生导师
,
主要从事功能薄膜材料与器件的研究
.
2004
2
04
2
21
收到
,2004
2
07
2
19
定稿Ζ
2005
中国电子学会
第
4
期楼燕燕等
:
Al
2
O
3
陶瓷上金刚石膜生长工艺优化及
α
粒子响应
741
SEM
形貌图
.
图
1
氧化铝衬底上金刚石表面的
SEM
形貌图
Fig.1
SEMpictureofdiamondfilmonAl
2
O
3
所使用的
Al
2
O
3
陶瓷基片主晶相为
α
2
Al
2
O
3
,
纯度为
95%,
平均晶粒尺寸约
2
μ
m,
厚度为
0
1
4mm.
金刚石的晶体结构与氧化铝陶瓷相差甚
远
,
热膨胀系数也存在较大差异
,
在降温过程中界面
处会产生很大的热应力
.
如果不经过适当的表面处
理
,
生长的金刚石薄膜会因为界面处的应力集中而
发生开裂甚至脱落
.
采用我们提出的碳离子注入技
术
[8,9]
对氧化铝陶瓷表面进行处理
,
可以缓解金刚
石膜与氧化铝之间的应力集中
.
这不仅提高了金刚
石薄膜与氧化铝衬底的附着力
,
同时降低了金刚石
膜中的残余应力
,
从而使在氧化铝陶瓷衬底上沉积
相当厚度的金刚石薄膜成为可能
.
经过
C
12
+
离子束轰击的
Al
2
O
3
并没有产生新
的相
,
且氧化铝表面没有明显的非晶化倾向
.
碳离子
注入过程对退火气氛、退火温度和退火时间十分敏
感
.
在氮气等惰性气氛中
1050
℃高温退火
30min
有
利于碳元素向表面的扩散聚集
,
使氧化铝中产生的
压应力集中于衬底表面
,
改善薄膜与衬底的附着特
性
.
在用
MPCVD
法沉积金刚石膜之前
,
我们用金
刚石粉的丙酮悬浊液对氧化铝陶瓷基片表面进行超
声处理以提高成核密度
.
通过优化
MPCVD
的各种
参数
,
得到具有一定厚度的高质量金刚石膜
.
用
H
2
O
2
和浓
H
2
SO
4
混合溶液对金刚石薄膜
进行氧化处理
,
以除去薄膜表面的含氢导电层
.
用溅
射法沉积厚度约
200nm
的
Au/Cr
复合金属层
,
使
用标准光刻技术制成梳状电极结构
,
条宽及间距都
是
150
μ
m.
图
2
为部分梳状结构的光学显微镜
(
OLYMPOS/BX60F5
)
图
(
放大
100
倍
)
.
用红外椭圆偏振光谱仪
(
2
1
5
～
12
1
5
μ
m
)
对金刚
石膜的光学参数进行表征
,
得到了最优化的碳源浓
度和衬底温度
.
金刚石薄膜的
XRD
测试采用的是
图
2
部分梳状结构光学显微镜图
Fig.2
Partofinterdigiteddetectorbyopticalmicro
2
scope
RigakuD/Max
2
3C
型
X
射线衍射仪
.Raman
光谱则
是由
SPEX
2
1403
型
Raman
光谱仪采用背散射方式
在室温下测得的
.
I
2
V
特性测试采用
Keithley4200
2
SCS
半导体性能表征系统
.
α
粒子源是特征能量为
5
1
5MeV
的
241
Am
源
.
3
结果与讨论
3.1
氧化铝陶瓷上金刚石薄膜的生长工艺优化
方志军
[10,11]
等人在考虑了金刚石薄膜表面粗
糙度、空隙和杂质等影响的基础上
,
建立了四层结构
的模型
:
(
氧化铝
)
|
(
氧化铝
+
金刚石
+sp
2
碳
+
空
隙
)
|
(
金刚石
+sp
2
碳
)
|
(
金刚石
+sp
2
碳
+
空隙
)
,
对薄膜的红外椭偏光学参量进行了拟合
,
并计算了
薄膜的介电系数和杂质含量
.
结果表明
:
金刚石膜的
介电常数在红外波段基本保持恒定
,
但对薄膜中
sp
2
等非金刚石相的含量比较敏感
;
随着
sp
2
杂质含
量的上升
,
金刚石膜的介电系数也相应增高
.
因此
,
我们可以通过测试金刚石膜的介电常数来摸索氧化
铝上生长金刚石薄膜的沉积工艺包括碳源浓度、衬
底温度等
.
图
3
给出了金刚石薄膜介电系数随沉积过程中
碳源浓度的变化情况
.
从图中可以看出
,
金刚石薄膜
的介电系数在整个波段范围内变化比较平稳
,
且随
碳源浓度的升高而上升
.
这主要是因为当碳源浓度
升高时
,
金刚石薄膜中的
sp
2
碳等非金刚石相杂质
的含量也增高
,
从而使薄膜的介电系数上升
.
图
4
给出了沉积温度对介电系数的影响
.
沉积
温度过低时所得薄膜中金刚石相含量少
,
大部分是
以
sp
2
等非金刚石碳形式存在
,
这些杂质的存在会
742
半 导 体 学 报第
26
卷
图
3
金刚石薄膜介电系数随沉积过程中碳源浓度的变化
Fig.3
Dependenceofdielectriccoefficientofdiamond
filmsoncarbonsourceconcentration
使薄膜的介电系数偏高
.
当温度逐渐升高
,
沉积薄膜
的质量不断提高
,
薄膜中金刚石含量增高
,sp
2
等非
金刚石杂质含量由于原子氢的加速刻蚀而变得很
少
,
此时薄膜的介电性质逐步接近
5
1
7.
当温度过分
升高时
,
由于金刚石表面起稳定作用的
C
—
H
键发
生断裂而使薄膜发生石墨化
,
从而使薄膜中的
sp
2
碳等非金刚石杂质的含量又趋于上升
,
则介电系数
也随之增高
.
图
4
金刚石薄膜介电常数随沉积过程中衬底温度的变化
Fig.4
Dependenceofdielectriccoefficientofdiamond
filmsonthedepositiontemperature
从上面得到的结果可知
,
在
MPCVD
工艺条件
下
,
碳源浓度为
0
1
8%,
沉积温度为
850
℃时
,
在氧化
铝衬底上得到的金刚石薄膜中
sp
2
等非金刚石杂质
含量最少
,
薄膜的质量最好
.
3.2
金刚石薄膜的表征
我们对采用优化条件生长的金刚石薄膜做了
X
射线衍射及喇曼光谱分析
.
图
5
给出了氧化铝衬底
上生长金刚石薄膜的
X
射线衍射图
,
由图可以看出
金刚石薄膜的取向是任意的
,
但绝大多数是沿
(
111
)
方向
.
图
5
氧化铝衬底上金刚石薄膜的
X
射线衍射图
Fig.5
X
2
raypatternofdiamondfilmsonAl
2
O
3
图
6
中曲线
a
和
b
分别表示人造金刚石和氧化
铝陶瓷衬底上金刚石薄膜的
Raman
光谱
.
曲线
b
中
出现清晰的金刚石特征峰
,
有不明显的背景光谱
.
这
说明金刚石膜的质量较好
,
但含有少量的
sp
2
非金
刚石相
.
对比
a
和
b
可以看出
,
氧化铝上金刚石膜的
Raman
散射峰向高波数方向漂移
,
这是因为该薄膜
中存在压应力的缘故
.
图
6
Raman
光谱 曲线
a
:
人造金刚石
;
曲线
b
:
氧化铝上金
刚石膜
Fig.6
Ramanspectrum
Curve
a
:syntheticdiamond;
Curve
b
:diamondfilmonAl
2
O
3
3.3
电学性能的测试
入射到金刚石上的带电粒子或光子能量大于禁
带宽度时
,
将会在金刚石内起离化作用
,
产生电子2
空穴对
.
这些载流子被电极间的电场分隔开来
,
部分
被金刚石内的缺陷、晶界捕获
,
形成空间电荷
,
其他
则被电极收集
,
形成光导电流
.
图
7
给出了我们研制的金刚石膜
/
氧化铝探测
器的
I
2
V
特性测试结果
.
横坐标是加在梳状电极上
的电压
,
纵坐标是所测的电流
,
曲线
a
是
α
粒子光电
流分布
,
约为
10
-5
～
10
-4
A;
曲线
b
是暗电流分布
,
第
4
期楼燕燕等
:
Al
2
O
3
陶瓷上金刚石膜生长工艺优化及
α
粒子响应
743
在
10
-8
～
10
-7
A
之间
.
图
7
电流随电压的变化情况 曲线
a
α
:
粒子光电流分布
;
曲
线
b
:
暗电流分布
Fig.7
Current
2
voltagecharacteristicsofdiamondfilm
onAl
2
O
3
underthe
α
2
particleirradiation
(
curve
a
)
and
inthedark
(
curve
b
)
影响电流分布的原因很多
,
其中分布在多晶薄
膜内的晶内缺陷、杂质及晶界密度等都会影响金刚
石薄膜的光导性能
.
晶内的杂质或缺陷会在禁带中
引入深能级
,
作为光生载流子的陷获或复合中心
,
而
晶界则会散射带电载流子和声子
,
限制载流子的传
输性能
.
4
结论
采用
MPCVD
法在氧化铝陶瓷衬底上沉积金
刚石膜
,
并制作梳状电极的
α
粒子探测器
.
通过优化
金刚石膜的生长条件
,
发现碳源浓度为
0
1
8%
、沉积
温度为
850
℃时
,
金刚石薄膜的介电常数最接近
5
1
7,sp
2
非金刚石相的含量最少
.XRD
测试分析表
明
,
金刚石薄膜的取向是多方向的
,
但绝大多数是沿
(
111
)
方向
.
同时
,
通过与单晶金刚石的喇曼光谱曲
线对比发现
,
研制的氧化铝上金刚石膜的质量较好
.
探测器的
I
2
V
测试结果表明暗电流在
10
-8
～
10
-7
A
之间
α
,
粒子
(
241
Am5
1
5MeV
)
辐照下电流为
10
-5
～
10
-4
A.
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MPCVD
)
methodand
isfabricatedintoaninterdigitedalpha
2
mizinggrowthparametersinMPCVD,wefindthatunderthe
conditionswith0
1
8%incarbonsource
(
alcohol/hydrogen
)
concentrationand850
℃
atdepositiontemperature,thebestquality
ofdiamondfilmcanbeobtained.X
2
raydiffraction,Ramanspectroscopy,scanelectronmicroscopyareutilizedtomonitorthe
urrentunder
α
2
particleirradiationisintherangeof10
-5
～
10
-4
Awithin100V,anddarkcurrent
isabout10
-8
～
10
-7
A.
Keywords:particledetector;diamond;dielectriccoefficient;Al
2
O
3
PACC:7280E;0670D
EEACC:8220B
ArticleID:0253
2
4177
(
2005
)
04
2
0740
2
05
3
ProjectsupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina
(
No.60277024
)
,RisingStarProjectsofShanghai
(
No.02QE14018
)
,and
ShanghaiFoundationofAppliedMaterialsResearchandDevelopment
(
No.0307
)
LouYanyan
female,wasbornin1980,terestedinworkingwithUVdetectorsofCVDdiamond.
WandLinjun
male,wasbornin1968,vice
2
terestedinworkingwithfunctionalthinfilmsandrelateddevices.
XiaYiben
male,wasbornin1942,terestedinworkingwithfunctionalthinfilmsandrelated
devices.
Received21April2004,revisedmanuscriptreceived19July2004
Ζ
2005ChineseInstituteofElectronics