[发明专利]一种用于离子传感器的氢终端金刚石表面电化学修复方法

说明书

一种用于离子传感器的氢终端金刚石表面电化学修复方法，属于半导体基础电路用基体材料制备领域。具体步骤为：a.利用氢气等离子体处理，使金刚石形成表面p型导电沟道，使其实现半导体化；b.采用真空蒸镀的方法在其光刻显影后的金刚石表面制备特定图案的电极，使氢终端金刚石实现电导通；c.将导线通过融焊法或银浆与金电极联结；d.在电极和导线上覆盖一层硅胶保护涂层，避免金属在强腐蚀酸碱溶液中受到损伤；e.将金刚石导线接于工作电极与对电极间，在不同离子溶液下模拟实际环境测试；f.将测试后的金刚石作为工作电极置于强无机酸溶液中，对其进行0～‑3V的负电位线性扫描。最终实现由于表面终端损伤而电阻升高的金刚石表面氢终端得到修复，使表面电阻下降。

技术领域：

本发明专利涉及半导体电化学应用领域；特别是在单晶或多晶金刚石表面氢终端处理后可形成离子敏感场效应管及PH传感器，在极端溶液环境下表面氢终端会有一定程度的损伤，通过一种电化学的方面实现表面氢终端修复，降低表面电阻。

技术背景

电化学是研究和应用如在固体电极和溶液界面包括电子转移的化学过程。化学气相沉积技术(CVD)制备金刚石的进步，使得其制备的单晶及多晶金刚石的质量进一步提高，从而能够达到电子学及电化学领域的要求。金刚石有着极其优异的物理化学性能，诸如有更宽的带隙(5.5eV)、高载流子迁移率(特别是空穴迁移率比单晶Si、GaAs高得多)、低介电常数(5.7)、极高的Johnson指标和Keyse指标(均高于Si和GaAs十倍以上)等等，被誉为高频高功率以及高温耐压领域的终极宽禁带半导体，也被称为第四代半导体。且因其具有的极佳的稳定性而使得金刚石半导体器件能够在极端环境下正常工作。非掺杂的金刚石是完美的绝缘体，但是通过表面修饰其会有着不同的能态，而形成表面终端。其对于氧化还原反应的高敏感性，加之其极大的电势窗口，使其能够应用于PH传感器(Senor)和离子敏感场效应管(ISFET)。为此学者们开始探索(Diamond.Relat.Mater.15,264(2006))并研究了不同终端金刚石的表面在表面吸附溶液条件下电子转移的电化学影响(J.Phys.Chem.C.118,22995(2014))。实验已经显示出H终端金刚石在真空环境下表现出绝缘态而在大气环境下产生电导。微观上，氢终端金刚石表面需要大气环境下的吸附层来形成p型导电沟道，类似于在溶液环境，其类金属导电特性是由于价带电子的隧道效应进入氧化还原电对电解质溶液的空态而产生，如果表面的氧化还原电对的化学位低于金刚石的价带顶，上表面层从价带边上部转移电子到大气水分吸附层中的氧化性物质，即呈现出的氧化还原电对和金刚石的电子转移。电子的转移使的金刚石近表面产生空穴，在外加电场的作用下从而引起p型导电。同时，氢终端导致了C-H偶极子的形成，这里H有着轻微阳性，这就引起在电解液溶液中H⁺的排斥从而在含有H⁺的溶液中引起电子转移率的最小化。相比当前的常见硼掺杂金刚石ISFETs，氢终端金刚石表现出了工艺简单和更好的负电子亲和力的特点，然而，在长期或不同溶液环境下，金刚石表面氢终端会出现一定的损伤，从而使表面电阻有所提高，降低了传感器的灵敏度。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提出一种氢终端金刚石表面电化学修复方法，从而实现氢终端表面修复而使其表面电阻下降，恢复离子敏感性甚至实现更适应溶液环境的稳定氢终端。采用机械抛光将单晶或多晶金刚石抛光达到极低粗糙度后并用氢等离子处理形成氢终端金刚石，后对其进行金电极蒸镀、导线电极硅胶覆盖保护，在多次强氧化溶液中通电测试后，会使得表面电阻由一定升高。之后使其作为电极在PH＝1～3的无机酸中以负电位线性扫描。在保证完全不破坏金刚石电极表面的情况下，实现对氢终端的修复，使金刚石表面电阻下降。

本发明的技术方案为：

一种用于离子传感器的氢终端金刚石表面电化学修复方法，其特征在于通过电化学的方法，将表面氢原子脱离而使电阻升高的氢终端金刚石作为电极在无机酸溶液中通过负电位线性扫描实现表面修复，工艺步骤如下：

步骤1：金刚石的研磨和抛光