AMSE 材料科学与工程的发展 1687 - 8442 1687 - 8434 Hindawi出版公司 10.1155 / 2015/727285 727285年 研究文章 研究电导率和四面体非晶碳薄膜的微观结构由硼掺杂 王 小燕 1、2 2 赵 … 1 Riveiro 安东尼奥 1 重点实验室教育部物理电子产品和设备 西安交通大学 西安710049年 中国 xjtu.edu.cn 2 电子与信息工程学院 太原科技大学 太原030021 中国 tyust.edu.cn 2015年 29日 12 2015年 2015年 10 09年 2015年 08年 12 2015年 10 12 2015年 29日 12 2015年 2015年 版权©2015王晓燕和赵余庆。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

一种四面体非晶碳(四)电影(四:B)硼掺杂的关注。四的电影是由过滤阴极真空电弧(FCVA)技术,然后用硼掺杂使用热扩散方法。的微观结构和电导率四特点是x射线光电子能谱(XPS)法和four-probe法,分别。四:B的结果表明,导电率显著增加;1.5×10的电阻率降低6Ω·约厘米到350Ω·厘米,而sp的百分比3债券在这部电影从约87%至60%。这意味着这种类型的电影保存了类金刚石碳(DLC)薄膜的力学特性,提高了电特性极大地在同一时间。

 1。介绍

四面体非晶碳(四)电影是一种主要sp3保税半导体带隙的订单2 eV [ 1- - - - - - 3]。四部电影吸引了相当大的兴趣,因为其独特的机械、结构和形态属性( 4, 5]。四部电影也被用于电子、光电子学、真空微电子、微机电系统、传感器( 6- - - - - - 9]。此外,最新研究证明,四膜可用于实现不同的功能和涂层表面防腐和电化学应用 10]。

使用四作为半导体的前景在电子应用大大增强的发现四模拟晶硅和通用电气( 11]。n型掺杂四已经观察到当氮纳入电影和薄膜晶体管也被搬上了舞台。p型四电影使用硼公司仍然是一个极大的兴趣和相关性建立四为电子应用程序作为一个可行的材料。结果迄今文献中发表的一些研究人员对制备和性能都不确定。有较大差异的报道电影的电特性的结果。例如,一份报告来自Chhowalla et al。利物浦大学有降低两个数量级的电导率比纯的电影( 12]。Kleinsorge等人的另一个团队从剑桥大学获得了优良的导电性增加五个数量级( 13Panwar和汉族的),而研究显示只有一个数量级的电导率增加,分别为( 14, 15]。

的制备和性能测试四和四:B电影,有几种不同的技术。Panwar等人准备和硼phosphorus-incorporated四面体非晶碳薄膜过滤阴极真空电弧沉积的过程,测试了晶体生长,表面,接口,薄膜和散装材料的电影 16]。他们由S-bend过滤阴极真空电弧沉积四部电影(FCVA)过程中,衬底偏置的影响在增长和氢和氮结合态密度和场发射阈值被报道。和最好的性能测量范围内的氢和氮公司( 17]。他们也变得和氢化四面体非晶碳(四,四:H)电影沉积S-bend FCVA技术。人们已经发现,四膜改善了纳米机械属性的加氢( 18]。Tripathi等人报道的影响衬底偏置结构,纳米机械,场致发射,nitrogenated氨气传感性能的非晶碳薄膜嵌入nanocrystallites (a - c: N: nc)飞机过滤阳极沉积的碳弧(FAJCA)技术。电影是由x射线衍射特征,高分辨率透射电子显微镜、能量色散x射线光谱分析,拉曼光谱,nanoindentation,场致发射,氨气传感测量。发现电影获得的属性依赖于衬底偏置( 19]。他们还掺杂氢化非晶碳化硅(P掺杂硅C: H)薄膜沉积在室温下由FCVA技术使用硅磷掺杂固体目标作为阴极的乙炔气体。这些电影都以x射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜、能量色散x射线分析,暗电导率,活化能,光学带隙、二次离子质谱分析,拉曼光谱,电流电压,capacitance-voltage,光电导测量( 20.]。

在本文中,采用不同的方法来获得boronated四面体非晶碳(四:B)的电影。首先,四电影是由FCVA技巧;然后准备电影boronated的热扩散技术。的微观结构和导电性能四:B电影被测试和分析。

本文的结构如下。部分 2描述了样品制备的实验和测试。实验结果讨论了部分 3。最后,给出了结论部分 4。

 2。实验

本文实验中包含样品制备及其测量。

2.1。样品制备

四电影是准备使用FCVA设备。阴极材料是石墨纯度为99.99%。单面抛光的单晶硅晶片作为衬底。硅晶片与绝对乙醇和丙酮超声清洗15分钟,分别。真空室的压力在控制 6 × 1 0 - - - - - - 4 Pa;磁扫描线圈的电压和频率是100伏,50赫兹,分别。应用基质的偏见是200 V。电弧电压是25 V,和灭弧电流约为80。为了确保四涂层的均匀性,样本与3 r /分钟的速度旋转。五个样品准备的沉积时间30分钟。

制备的四:B,所使用的热扩散方法。样品与绝对乙醇和丙酮清洗15分钟,分别。氮化硼被选为扩散材料。干氮化硼晶体粉末均匀的放置在扩散物质载体与环境保护气体,氮通量是维持在500毫升/分钟。温度被加热,然后提高到960°C和制作样品放置在扩散室。样品编号:1号治疗通过热扩散和2号,3号,4号,5号是扩散与5分钟,10分钟,15分钟,20分钟,分别。一旦扩散完成,所有样本被冷却到室温在氮气环境中。

 2.2。测量的样品

四的两个主要特性:B样品测试在这项研究中,微观结构和电导率。热K-Alpha高性能x射线光电子能谱成像器被用来分析能谱四:B电影来分析其微观结构。测试的导电性,RTS-8 four-probe测试人员使用。在一个恒定的温度,7个区域从每个样本选择测试薄膜的电阻率特性。

 3所示。结果与讨论 3.1。结构分析四:B电影

热K-Alpha x射线光电子能谱成像器被用来分析能谱四:B电影。b1谱图如图 1,这表明,硼的b1谱峰四:B电影显然方法189 eV。

拟合曲线的b1核心级光谱图四:B电影有不同的热扩散。

热扩散掺杂5分钟

热扩散掺杂10分钟

热扩散掺杂15分钟

热扩散掺杂20分钟

c1核心能源使用x射线光电子光谱成像仪光谱图获得不同热扩散时间图所示 2。从图 2,它可以清楚地看到,当硼不扩散到四部电影,c1光谱峰值接近285.1 eV,表明更多的sp3债券在电影,可以计算出大约87%的高斯峰面积比率。数据 2(一个)来 2 (c)表明,当硼的扩散时间增加,c1的光谱峰值逐渐走向284.2 eV,石墨相的谱峰。扩散时间越长,sp的谱峰强度就越大2是;与此同时,sp3谱峰强度逐渐降低。这表明sp的比率3/ sp2在这部电影是减少债券,由于焊接方法的一些碳原子从sp3对sp2,导致这部电影开始表现出石墨化的迹象,而碳原子四:B电影主要是sp3杂交,倾向于减少随着硼含量的增加。

拟合曲线的c1能级谱图四硼掺杂前后的电影。

四的电影没有兴奋剂

四:B电影与热扩散掺杂5分钟

四:B与热扩散掺杂电影10分钟

四:B电影与热扩散掺杂15分钟

四:B电影与热扩散掺杂20分钟

从数据 2 (c), 2 (d)和 2 (e),它可以观察到,随着热扩散时间的增加,光谱的峰值283.1 eV boron-carbon债券逐渐变得更加明显和强度增加,这表明更多的C和B债券形成boron-carbon化合物。在这个阶段,sp的比率2债券和sp3债券仍基本保持不变,说明四电影是抑制的石墨化倾向。与此同时sp的数量3债券在这部电影仍在60%以上在整个实验过程中,充分表明这部电影仍然保持了类金刚石碳薄膜的优良品质。

根据c1和b1核心能量谱图的分析,很明显,sp的百分比3债券减少而sp2债券增加硼的掺杂原子的热扩散方法。主要结合的sp模式2是,硼原子取代碳原子在石墨。当一个sp2位置是一个硼原子所取代,BC3结构将形成 21]。这个过程会失去原文的框架结构。根据浅植入的理论,这个过程可以抑制sp的形成3债券;因此,sp的百分比3债券减少。因此,BC6硼原子周围的结构将形成如图 3,这是一个可用的掺杂方法提高电导率。当扩散时间短,很少有硼原子掺杂在四部电影,掺杂硼和碳原子结合的界面膜,从而导致低比例的sp3债券。随扩散时间的增加,越来越多的硼原子sp2位置,增加的百分比c sp2债券。在下一阶段,硼原子在电影的内容将不断上升。一种c化合物会形成容纳更多的硼原子。这个过程抑制电影的石墨化的形成,和sp的百分比2和sp3将持续约。

c sp2债券在公元前6四:结构B。

 3.2。进行产权分析四:B

电影样品的导电性能进行了测试与RTS-8 four-probe测试仪。每个样品的电阻率如表所示 1。在一个恒定的温度,7个区域从每个样本选择测试薄膜的电阻率特征,和结果如图所示 4。从这个图中,可以观察到,随着扩散时间的增加,B的总电阻率四:电影展览首先降低,然后增加的趋势。在室温下,电阻率的四电影无掺杂硼约为1.5×106Ω·厘米;与硼扩散后5分钟,电阻率表现出明显的减少,约350Ω·厘米。当扩散时间增加到10分钟,薄膜的电阻率继续下降,实际减少虽小,只有250Ω·厘米。当扩散时间进一步增加到15分钟,四的电阻率:B电影展览反弹和经历大量增加与扩散时间5分钟,10分钟,大约4100Ω·厘米。此后,随着扩散时间的增加,硼原子的相对数量在电影继续增加,电阻率也略有增加,大约5000Ω·厘米。

样品的电阻率测试结果。

测试点 1 2 3 4 5 6 7 平均
电阻率的四部电影没有掺杂(Ω⋅厘米) 1.989 E 6 1.989 E 6 1.514 E 6 1.051 E 6 1.036 E 6 1.338 E 6 1.506 E 6 1.489 E 6
电阻率的四:B电影与热扩散掺杂5分钟(Ω⋅厘米) 326年 326年 327年 411年 376年 349年 402年 359年
和热扩散掺杂电阻率四:B电影10分钟(Ω⋅厘米) 252年 253年 254年 259年 264年 258年 213年 250年
电阻率的四:B电影与热扩散掺杂15分钟(Ω⋅厘米) 4160年 4101年 4342年 4520年 4226年 4220年 4461年 4287年
电阻率的四:B电影与热扩散掺杂20分钟(Ω⋅厘米) 4459年 4552年 4401年 3854年 4047年 4266年 4979年 4365年

在不同的扩散时间平均电阻率。

部分 3.1显示有三个步骤四:硼的电影。一个是c sp的形成2债券可以减少sp3影片的债券和产生石墨化的趋势。另一个是c复合可以提高薄膜的电阻率。结合电导测试结果,下面是明确的。当扩散时间是5分钟,焊接方法四:B电影是c sp2债券,降低电阻率;扩散时间是10分钟时,硼原子的含量仍然会增加在影片中,但是其中一些c化合物,所以电影的电阻率降低,但幅度很小;当扩散时间的增加,c的比例复合掺杂硼的电影增加,可抑制石墨化,提高电阻率在同一时间。

 4所示。结论

在这项工作中,我们研究了硼掺杂的微观结构及导电性财产四面体非晶碳(四:B)电影,这是掺杂使用热扩散掺杂技术。这是发现当sp的数量3债券的四:B电影仍然高于60%,这部电影仍然保留了类金刚石碳薄膜的特性。虽然导电性明显增加,1.5×10的电阻率降低6Ω350Ω··厘米厘米。由于这一事实,四:B电影最终可能成为一个潜在的候选人在微电子应用程序使用。

 利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

 确认

支持这项研究由中国国家自然科学基金(11405125)、中国博士后科学基金资助项目(2014 m562420),中央大学和基础研究基金。

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