超硬材料网

　　申请号：201610385284.X
　　申请人：中北大学
　　发明人：刘俊 郭浩 唐军 马宗敏 曹慧亮 陈宇雷 郭旭东 朱强

　　摘要：本发明提供一种单芯片级金刚石色心自旋陀螺仪，利用MPCVD磁、电约束方法制备了浓度大于1018cm‑1的氮元素掺杂金刚石结构，利用微纳加工工艺方法制备了金刚石色心波导结构，实现了NV色心结构的波导内全激发和空间全反射高效率收集，同时结合电子束加工方法实现了微波、射频天线的共面制造以及磁场产生线圈的芯片化一体集成，并通过时序操控方法进行陀螺信号高信噪比检测，发明了一种单芯片级的金刚石色心自旋陀螺仪。 　　主权利要求：1.一种单芯片级金刚石色心自旋陀螺仪，其特征在于：包括金刚石衬底（1），所述金刚石衬底（1）上表面中部加工金刚石NV色心波导（2），所述金刚石衬底（1）上表面采用MPCVD法外延生长一层金刚石折射率匹配层；所述金刚石衬底（1）上表面位于金刚石NV色心波导（2）两侧分别加工微带天线阵列（4）；所述金刚石衬底背面（3）中心部加工磁场产生线圈（9）。
　　2.根据权利要求1所述的单芯片级金刚石色心自旋陀螺仪，其特征在于：所述金刚石衬底（1）上加工有封装卡槽（8）。
　　3.根据权利要求2所述的单芯片级金刚石色心自旋陀螺仪，其特征在于：金刚石NV色心波导（2）两端分别通过端面耦合方式连接激光输入端口（5）和荧光信号输出光电检测端口（6）；所述微带天线阵列（4）通过端面耦合方式连接微波、射频信号输入端口（7）。
　　4.根据权利要求1所述的单芯片级金刚石色心自旋陀螺仪，其特征在于：所述金刚石NV色心波导（2）的厚度200微米、宽度200微米。
　　5.根据权利要求1所述的单芯片级金刚石色心自旋陀螺仪，其特征在于：所述微带天线阵列（4）中微带天线的规格为：长250微米，宽和高为40微米。
　　6.根据权利要求1所述的单芯片级金刚石色心自旋陀螺仪，其特征在于：所述金刚石折射率匹配层厚200nm。
　　7.一种单芯片级金刚石色心自旋陀螺仪的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：（1）、在金刚石衬底上部形成NV色心薄膜层；（2）、对金刚石衬底的上下表面进行抛光；（3）、在金刚石衬底上表面外延生长一层氧化硅掩膜层；（4）、采用光刻和刻蚀技术，图像化转移制备出金刚石NV色心波导图像结构；（5）、采用干法刻蚀技术进行金刚石体结构刻蚀，在金刚石衬底中部形成金刚石NV色心波导；（6）、去除氧化硅掩膜层，然后外延生长一层金刚石折射率匹配层，作为全反射包层；（7）、芯片级平面集成与制造（71）、采用电子束蒸发技术，在加工好的金刚石衬底上制备一层800~850nm的Ti/Pt/Au，其中Ti厚度为100nm~200nm，Pt厚度约为50nm~100nm，Au厚度为300nm~600nm；（72）、采用IBE刻蚀技术，在衬底上位于金刚石NV色心波导的两侧分别刻蚀出微带天线结构；（73）、在金刚石衬底上表面旋涂一层光刻胶，热烘后保护衬底的上表面结构；（74）、金刚石衬底翻转过来，在下表面重复步骤（71），采用IBE刻蚀技术刻蚀出磁场产生线圈；（75）全固化封装整个芯片级结构，通过端面耦合方式，在金刚石NV色心波导两端封装激光输入端口和荧光信号输出光电检测端口，在微带天线的输入端封装微波、射频信号输入端口。
　　8.根据权利要求7所述的单芯片级金刚石色心自旋陀螺仪的制备方法，其特征在于：步骤（1）具体如下：高浓度金刚石色心制备工艺：利用微波化学气相沉积技术制备浓度高于1018cm-1的金刚石色心；即采用高纯化N2气源和高内壁清洁净度气管，气源入腔口采用12500目过滤网进行微尘，净化气体；在超高真空下采用高压微波等离子化CH4、H2、N2三种气体，激发出C、N原子，利用原子磁矩相互作用效应，采用磁、电约束方法，精确操控C、N原子比例，实现超高均匀性的浓度高于1018cm-1的氮元素可控制造高浓度金刚石色心；NV色心活化工艺：采用高能10MeV电子束辐射对金刚石衬底进行5小时辐照，进行原位电子与晶格中的碳元素碰撞，产生空位；在超高真空环境下，快速退火驱使碳元素向表面移动，消除晶格畸变和残余应力，然后在真空下850℃高温下退火2h，使空位发生迁移，并捕获电子，形成NV色心。