金刚石氮-空位色心阵列传感器制造技术

本发明专利技术公开了金刚石氮

【技术实现步骤摘要】
金刚石氮
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空位色心阵列传感器


[0001]本专利技术涉及一种金刚石半导体传感器，具体是金刚石氮
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空位色心阵列传感器。

技术介绍

[0002]传感器在生产生活中的地位日趋重要，我们可以通过传感器观测到的物理量来反推出 其数值和方向，在微纳尺度下对光、热、电、磁和力等物理量的获取则对传感器的灵敏度 和空间分辨率提出了更高的要求。第三代半导体材料例如氮化镓、碳化硅和金刚石等都是 国际上研究的热点，但其中金刚石表现出了更优越的性能。金刚石具有高硬度和高导热的 特点，同时有5.5eV的超宽禁带以及非常高的电子和空穴迁移率。
[0003]由于可以较为容易地操控和读出金刚石材料中NV色心的状态，并使其状态保持较长 时间，故含有NV色心的金刚石材料可以作为单光子发射源、探测器和基于色心自旋的量 子传感器。单个或多个NV色心自旋的尺寸处于纳米量级，且对外界多种物理量之间耦合 作用的扰动有明显响应，因此可以利用这种响应机制来实现纳米量级的空间分辨率和极高 的灵敏度。
[0004]金刚石中NV色心的自旋状态可以利用微波信号扫描+光学探测磁共振(ODMR)手段调控 和读取，传统ODMR测试为正向激发和正向探测，NV色心位于金刚石与空气的界面处。但 在需要接触探测时，待测物无法保证光学透明，同时也在镜头和NV色心之间形成了额外 的光学层，使得探测光读出效率更加复杂。这些都导致传统的ODMR测试，即正向激发正 向探测的配置具有很大局限性。
[0005]金刚石纳米阵列结构也是金刚石重要应用的研究方向之一，相关结构有近年来兴起的 金刚石纳米锥、纳米线、纳米棒等结构。金刚石的较大折射率抑制了近表面光子发射的有 效光输出耦合，将微纳结构技术应用于金刚石表面之后，纳米柱阵列可以作为光子波导， 进而显著提高外部接收率。CN 104724664 A公布了这种正向单晶金刚石纳米柱阵列结构的 制备方法，所述方法采用了自组装工艺。在《用于金刚石NV中心的高效光学读出和光电 子控制的GaN纳米线阵列》(“GaN Nanowire Arrays for Efficient Optical Read
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Outand Optoelectronic Control of NV Centers in Diamond”,作者M.Hetzl等，该篇发 表于2018年的Nano Letters)文中，介绍了采用氮化镓正向纳米柱阵列结构，NV色心位 于金刚石衬底与氮化镓纳米柱之间，但这种结构仅适用于传统ODMR测试，在进行接触探 测时同样具有局限性。
[0006]为此，我们提出了金刚石氮
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空位色心阵列传感器。

技术实现思路

[0007]1.要解决的问题
[0008]针对现有技术中存在的问题，本专利技术的目的在于提供金刚石氮
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空位色心阵列传感器， 来解决上述
技术介绍
中提到的问题。
[0009]2.技术方案
[0010]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0011]金刚石氮
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空位色心阵列传感器，包括金刚石衬底，所述金刚石衬底为单晶金刚石， 并对金刚石衬底表面进行氮掺杂同时控制掺杂层厚度，以形成金刚石外延层和NV色心层。
[0012]所述金刚石外延层和NV色心层可以通过包括但不限于此两种实施方式实现，包括实 施方式一微波等离子化学气相沉淀法(MPCVD)获得掺氮金刚石、实施方式二高温高压退 火处理合成氮掺杂金刚石。
[0013]在第一个实施方式中，使用MPCVD设备，在超高真空度条件下，在CH4和H2混合气体作 为前驱物生长金刚石薄膜基础上，充入离化的N2，通过控制晶体的生长条件，如压强、温 度、各种气体分压等相关参数，来得到合适的氮掺杂浓度。进一步通过绿光激发光致发光 (PL)表征NV色心的浓度，进一步通过X射线光电子能谱(XPS)和二次离子质谱(SIMS) 表征氮的掺杂浓度，这两项测试所得到的数值可以推断出在此生长条件下掺杂氮形成NV色 心的比例。此实施方式可以得到高质量的掺杂层，有效地控制掺杂厚度，并可以通过改变 生长条件来调整NV色心的取向。
[0014]在第二个是实施方式中，采用高温高压的方法得到氮掺杂金刚石，上述过程所用到的 高温高压设备为六面顶压机。高温高压制氮掺杂金刚石首先可以通过温度梯度法合成氮掺 杂金刚石单晶，进一步对金刚石进行高温高压退火处理，上述高温高压退火处理可以将金 刚石内部分散状态的氮转化为聚集状态形式，并使得氮与空位结合形成NV色心。进一步 可以通过光学显微镜观察金刚石形貌并使用532nm的激发光源对金刚石进行拉曼测试，进 一步对金刚石衬底进行傅里叶红外吸收光谱测试来测定氮的存在形式以及不同形式的氮 含量，进一步为了解由杂质和空位等引起的金刚石晶格缺陷进行光致发光测试。此实施方 式得到的金刚石衬底有会产生部分杂质，且不易控制掺杂厚度，对于本专利技术在对灵敏度没 有较高要求时可以采用此方式。
[0015]N在金刚石中通常可能会形成替位(Ns)、NV色心、N
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N复合体、N
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杂质复合体等， 本专利技术主要基于NV色心的自旋量子传感机理，因此在高温高压退火处理时尽可能使N的 掺杂形成NV色心，而抑制其他形态的N形成。
[0016]上述得到的掺氮金刚石NV色心层需要实现NV色心的择优取向。衬底晶向的限制可以之 间接影响NV色心的取向，垂直生长面上更容易形成NV色心。在特定的晶向衬底，采用合适 的氮掺杂金刚石生长条件得到所需要的NV色心取向，上述生长条件包括温度、压力、气体 分压等，生长条件的不同导致面内原子迁移的表现不同，可以直接影响氮原子和空位的表 面迁移速率和结合几率。基于不同取向的NV色心对于色心磁量子数m
s
＝+1和m
s
＝
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1存在微波 频率差的不同，进一步采用ODMR信号来表征NV色心的取向。
[0017]上述衬底的晶向包括但不限于(100)、(110)、(111)、(113)。
[0018]所述上述掺氮金刚石外延层中，将NV色心传感层加工成微纳阵列结构有利于探测光 的收集。将上述掺氮金刚石NV色心层所在表面旋涂光刻胶，进一步采用电子束光刻在掺 氮金刚石外延层表面写入纳米结构阵列，进一步通过电感耦合等离子体(ICP)刻蚀金刚石 纳米柱阵列。可以通过研究有纳米柱阵列和无纳米柱阵列样品的背向激发ODMR信号的强 弱，来分析纳米柱阵列结构对NV色心发光传播的效果，可以看到此结构有明显的聚光作 用。
[0019]在上述NV色心取向过程中，通过控制氮掺杂金刚石生长条件来尽可能多的得到相对 于表面倾斜的NV色心取向。在未采用上述NV色心传感层纳米柱阵列结构情况下，大角度 NV色心发光传播的到金刚石衬底表面会发生全反射，导致收光效率大大降低。在采用上述 NV色心传感层纳米柱阵列结构情况下，纳米柱可以作为光子波导，大角度NV色心发光会 通过纳米柱内反射并沿着纳米本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.金刚石氮
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空位色心阵列传感器，其特征在于，包括：传感器；金刚石衬底，所述传感器底端具有金刚石衬底；金刚石外延层，在所述金刚石衬底正面上有一层金刚石外延层，所述金刚石外延层是n型半导体；NV色心层，所述金刚石外延层表面存在采用原位MPCVD生长方式得到NV色心层，所述传感器NV色心层中NV色心的取向得到了择优取向，其中NV色心层具有10nm和50nm之间的厚度；纳米柱阵列结构，所述金刚石外延层即传感接触层结构为纳米柱阵列结构，述传感接触层纳米柱包括金刚石纳米柱、介质层和金属层，所述介质层淀积在金刚石纳米柱表面，所述金属层淀积在介质层表面，所述纳米柱阵列结构依靠ICP刻蚀金刚石得到，NV色心层位于纳米柱表面；纳米柱阵列天线，所述金刚石衬底背面具有增强读出的纳米柱阵列天线。2.根据权利要求1所述的金刚石氮
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空位色心阵列传感器，其特征在于，所述传感器的金刚石外延层、介质层、金属层和增强读出纳米柱阵列天线均由CVD方式获得。3.根据权利要求1至2任一所述的金刚石氮
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空位色心阵列传感器，其特征在于，在传感器金属层边缘安置电极，在传感器工作时加入偏置电压，所述传感器的介质层是Al2O3层、BaO层、BN层或SiO2层，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：汤琨，赵耕右，朱顺明，叶建东，顾书林，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：