【摘 要】
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金刚石具有宽禁带、高热导率、高载流子迁移率和高击穿电压等优异性质,被认为是一种理想的半导体材料。氮是金刚石中最常见的杂质原子,在天然和人造金刚石中都普遍存在,因此研究氮掺杂金刚石具有重要的研究意义。然而氮掺杂金刚石存在电阻率高、载流子浓度和迁移率低等问题,这些严重制约了它在半导体方面的应用。对于氮掺杂金刚石来说,经常采用先辐照后退火的手段以提高载流子浓度与迁移率。而电子辐照可以在氮掺杂金刚石中引入
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金刚石具有宽禁带、高热导率、高载流子迁移率和高击穿电压等优异性质,被认为是一种理想的半导体材料。氮是金刚石中最常见的杂质原子,在天然和人造金刚石中都普遍存在,因此研究氮掺杂金刚石具有重要的研究意义。然而氮掺杂金刚石存在电阻率高、载流子浓度和迁移率低等问题,这些严重制约了它在半导体方面的应用。对于氮掺杂金刚石来说,经常采用先辐照后退火的手段以提高载流子浓度与迁移率。而电子辐照可以在氮掺杂金刚石中引入大量的本征缺陷,通过不同退火工艺来改变其半导体特性。电子辐照过程中引入的空位和间隙原子等缺陷被杂质氮原子所束缚,而形成氮-空位(NV)和氮-间隙原子缺陷。目前的研究报道主要集中在氮-空位缺陷上,并基于此开发了很多量子器件,然而关于氮-间隙原子缺陷的研究却鲜有报道。本论文采用高能电子辐照与近阀能辐照技术在氮掺杂金刚石中引入本征缺陷,然后利用低温光致发光光谱(PL)进行表征。研究了零声子线的温度依赖性、沿深度方向的分布情况,以及退火对零声子线强度的影响,阐明金刚石中氮-间隙原子缺陷对应的零声子线。具体结果如下:高氮金刚石经10Me V高能电子辐照后,晶体中主要以NV缺陷和中性单空位缺陷(GR1)为主,并没有观察到氮-间隙原子缺陷,这很可能是由于它被NV缺陷竞争发光所掩盖。因此需要降低金刚石含氮量和辐照能量,以便于形成氮-间隙原子缺陷。低氮金刚石经200ke V近阀能电子辐照后,光谱中出现了GR1中心与565nm零声子线。随着测试温度升高,零声子线位置发生红移、强度减弱、半高宽增大。565nm零声子线对应的缺陷对晶体化学键的软化程度低于NV中心,这说明565nm零声子线对应的缺陷结构具有更高的原子密度;565nm零声子线的热猝灭激活能与间隙原子缺陷接近;其热软化系数低于理想金刚石。565nm零声子线具有与GR1中心不同的温度依赖性及增宽机制;基于以上研究结果分析,565nm零声子线很可能是氮-间隙原子缺陷引起的。565nm零声子线经500~700°C退火后开始减弱并消失,这表明在退火过程中本征间隙原子逃离了杂质氮原子的束缚,并自由移动至空位处发生复合。
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