[发明专利]一种基于金刚石的磁场传感器及其制备方法

说明书

一种基于金刚石的磁场传感器及制备，包括由单晶金刚石衬底，掺氮的金刚石薄膜层，及钛、金电极构成的电极层，单晶金刚石衬底、掺氮的金刚石薄膜层、电极层由下至上依次设置，在两个电极间形成金属‑半导体‑金属结构；所述单晶金刚石衬底为高温高压法合成的Ib型金刚石单晶，晶向为(100)，X射线衍射半峰宽小于0.1°，含氮量为27±5ppm；所述掺氮的金刚石薄膜层厚度为20～80μm，含氮量约为168±15ppm。本发明中掺氮的金刚石薄膜层提高了金刚石中的氮空位(NV)含量，通过电压调控尽可能让NV色心处于利于传感的NVsupgt;‑/supgt;形态，以提高传感灵敏度。在微波信号的作用下观察PL谱中NVsupgt;‑/supgt;对应的特征峰的强弱变化，以此实现所制器件对磁场传感的功能。

技术领域

本发明属于半导体器件技术领域，磁场传感器制备技术，具体涉及一种基于金刚石的磁场传感器及其制备方法。

背景技术

金刚石中的晶体缺陷被应用于广泛的领域，这归因于它们的稳定性和独特的光学性质。氮杂质作为天然金刚石和人造金刚石中的最主要缺陷，直接决定着金刚石所拥有的大多光学性质，并对其本身的热学、电学和机械性质也有重要的影响。在富氮的金刚石薄膜中，孤氮原子(N₀)是施主，能够提供一个电子给氮-空位(NV)色心，因此NV^-含量较高。NV色心是一个氮原子和一个空位组成的点缺陷，NV色心有两种电荷态：NV⁰(电中性)和NV^-(带负电)。NV色心的两种电荷状态可以通过PL光谱进行分辨，在514nm激光的激励下金刚石单晶衬底中几乎没有与氮相关的发光峰；而掺杂氮后可以清楚地看到有两个发光峰位于575nm和637nm，分析认为：这两个发光峰来源于NV⁰和NV^-的发光。由于NV色心的自旋保持时间长、自旋状态易操作和读出等特点，含有NV色心的金刚石材料成为单光子发射源、探测器和基于色心自旋的量子传感器的优选材料。

CN201510783904.0一种基于金刚石NV―色心的加速度传感器，用含有高浓度NV―色心的金刚石作为磁场敏感元件，以NV―色心系综电子二能级系统在激光脉冲下产生的拉比振荡频率为测量对象，通过光检测磁共振技术(optical detection magneticresonance,简称ODMR)对拉比振荡频率的测量，实现在外界加速度作用下静磁场源与高浓度NV―色心的金刚石的相对位移变化所导致变化磁场的高精度的测量，进而实现加速度信息的测量。

CN202211322873.5一种光纤集成金刚石NV色心的磁场传感器，包括激光器光源、磁场光纤传感机构、偏置永磁铁、微波波导机构、第一数据处理机构以及第二数据处理机构；激光器光源通过第一尾纤和环形器与磁场光纤传感机构的一侧相连接，激发磁场光纤传感机构发出荧光，环形器与第一数据处理机构相连接，磁场光纤传感机构的另一侧与第二数据处理机构相连接，荧光分别以耦合的方式进入第一数据处理机构和第二数据处理机构。

金刚石NV色心的制备通常有两种方法。一是离子注入法，首先把氮离子注入到金刚石中，然后通过高温退火使得金刚石中出现空位，当移动的空位被氮原子捕获时便形成NV色心；二是原位掺杂法，采用微波等离子化学气相沉积(MPCVD)设备，在金刚石生长过程中引入掺杂气体(氮气)，从而在金刚石薄膜中形成NV色心。由于离子注入法会对金刚石表面造成损伤从而带来缺陷，使得生长的薄膜质量较差，因此原位掺杂的方法被研究者广泛采用。现已有研究者采用高功率的MPCVD设备，以氮气为掺杂气，在生长过程中改变沉积温度，研究沉积温度对金刚石薄膜近表面NV色心密度的影响。结果表明：较低的沉积温度有利于在薄膜中形成NV色心，通过优化生长参数，能够制备密度为10¹²cm^-3的NV色心，并且NV色心的相干时间可达232μs。