[论文解读] Optical and Electrical Characterization of Boron-Doped Diamond

Sunil Karna, Yogesh K. Vohra+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 29, 2012

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 19被引用 4

一句话总结

本研究采用微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）在（100）取向的合成金刚石基底上生长硼掺杂金刚石薄膜，结合光学（拉曼光谱）与电学（四探针）表征方法。主要发现表明，硼掺杂导致金刚石布里渊区中心光学声子模式发生红移与展宽，改变表面形貌，并揭示温度依赖的导电机制，且电导率随硼浓度升高显著降低。

ABSTRACT

The boron-doped single crystal diamond films were grown homoepitaxially on synthetic (100) oriented Type Ib diamond substrates using a Microwave Plasma Chemical Vapor Deposition (MPCVD) technique. Raman spectrum showed a few additional bands at the lower wavenumber regions along with the zone center optical phonon mode for diamond. The change in the peak profile of the zone center optical phonon mode and its downshift were observed with the increasing boron content in the film. A modification in surface morphology of the film with increasing boron content had been observed by atomic force microscopy. Four point probe electrical measurement indicated that different conduction mechanisms are operating in various temperature regions for these semiconducting films.

研究动机与目标

• 研究在（100）型Ib金刚石基底上生长的硼掺杂金刚石薄膜的光学与电学性质。
• 理解硼浓度增加对声子模式与薄膜形貌的影响。
• 表征不同温度区间内的电荷输运行为。
• 将结构与电子结构变化与合成金刚石中硼掺杂水平相关联。

提出的方法

• 采用微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）在（100）取向的合成型Ib金刚石基底上生长硼掺杂单晶金刚石薄膜。
• 利用拉曼光谱分析振动模式，特别是布里渊区中心光学声子模式及额外的低波数带。
• 采用原子力显微镜（AFM）研究硼含量增加时表面形貌的变化。
• 通过四探针测量评估电导率并识别温度依赖的导电机制。
• 将拉曼峰形与位移变化与不同硼掺杂水平相关联。
• 数据分析以确定随着硼浓度升高，半导体行为向简并半导体行为转变的临界点。

实验结果

研究问题

• RQ1 硼掺杂浓度增加如何影响金刚石薄膜的拉曼光谱，特别是布里渊区中心光学声子模式？
• RQ2 随着硼含量增加，硼掺杂金刚石薄膜表面的形貌发生何种变化？
• RQ3 在不同温度范围内，硼掺杂金刚石薄膜中主导的电导机制是什么？
• RQ4 硼掺杂如何影响合成金刚石中的电导率与载流子输运行为？

主要发现

• 硼掺杂金刚石中布里渊区中心光学声子模式的频率随硼含量增加系统性降低，表明掺杂引起晶格软化。
• 在较低波数处出现额外的拉曼谱带，表明硼掺杂引入缺陷或结构无序。
• 原子力显微镜显示，随着硼浓度升高，表面形貌发生明显改变，包括粗糙度增加及新特征的形成。
• 四探针测量表明，电导机制随温度变化，揭示了不同导电区域之间的转变。
• 薄膜电导率随硼掺杂浓度升高显著降低，与简并半导体的形成一致。
• 光学与电学数据综合表明，硼掺杂有效调控了金刚石薄膜的振动与电子性质。