人造金刚石单晶薄膜的制备及表面形貌优化

人造金刚石作为一种高效的热管理衬底,在宽禁带半导体电子器件领域具有广泛的应用前景。然而微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法外延金刚石单晶的生长速率慢,表面粗糙度高,难以满足半导体器件的衬底需求。对此,本文采用MPCVD法制备金刚石单晶薄膜,通过分阶段生长监控样品的生长速率,结合显微镜照片和AFM表征样品的表面形貌和表面粗糙度,根据拉曼光谱和XRD分析外延薄膜的晶体质量,最终采用高/低甲烷浓度的两步法外延工艺,实现了金刚石单晶薄膜的高速外延,生长速率达到20 μm/h,同时获得了较为平整的表面形貌。本文所研究的甲烷调制两步法外延工艺能够起到表面形貌优化的作用,有利于在后续的相关器件研发中提供平整的金刚石衬底,推动高功率电子器件的发展。     

Ar对微波等离子体CVD单晶金刚石生长的影响

采用自主研发的5 kW不锈钢谐振腔式MPCVD设备,在Ar/H2/CH4气氛下,保持总气压与CH4气流量不变,研究了不同Ar/H2比例对单晶金刚石生长速度和晶体质量的影响.通过拉曼光谱与高分辨率XRD摇摆曲线,从生长速度与生长质量两点对所得样品进行分析.结果表明,适量Ar的存在能够显著提高单晶金刚石的生长速度,并且不损害金刚石的晶体质量.当Ar/H2=30;时,生长速度最高,为35 μm/h.随着Ar/H2比例的进一步增加,单晶金刚石的结晶质量会有所下降,Ar/H2比例过高则会严重破坏单晶金刚石的生长.     

MPCVD生长单晶金刚石及发射光谱分析

在微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)生长单晶金刚石过程中,测量了近衬底附近等离子体发射光谱(OES),研究了甲烷浓度对等离子体中基团谱峰强度的影响,分析了等离子体中基团谱峰相对强度与金刚石生长速率、质量的关系.利用激光拉曼光谱(Raman)和扫描电镜(SEM)对生长之后的单晶金刚石进行表征.结果表明:随着甲烷浓度的提高,Hα基团谱峰几乎不变,C2、Hβ、Hγ和CH基团谱峰强度均增加,而C2基团增加显著.同时,基团谱峰相对强度比值I(Hγ)/I(Hβ)、I(C2)/I(CH)和I(C2)/I(Hα)也都随着甲烷浓度的提高而增加.I(C2)/I(CH)比值的升高不利于单晶金刚石的生长.生长速率测试表明,单晶金刚石的生长速率随I(C2)/I(Hα)比值的增大而增加,当I(C2)/I(Hα)小于0.35时,生长速率呈现指数快速增加,超过这个值之后,增长趋势变缓,生长速率呈线性增加.     

高温高压金刚石衬底上的同质外延生长研究

在自主研发的小功率微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)装置上利用高温高压(HPHT)单晶金刚石片为衬底进行了金刚石同质外延生长的研究.研究了甲烷浓度、工作气压对金刚石生长速率的影响.测量了金刚石外延 生长过程中等离子体的发射光谱,利用扫描电子显微镜(SEM)和数码相机对生长前后金刚石的形貌进行了表征,利用激光拉曼光谱对金刚石的质量进行了分析.结果表明:一定程度内,适当升高工作气压和甲烷浓度能够有效提高金刚石的生长速率;在外延生长过程会产生过多的丘状体,导致许多金刚石颗粒的产生,影响其生长时间和质量,通过生长、刻蚀相结合的方法能够有效延长生长时间,改善生长形貌;外延生长出的金刚石的激光拉曼图谱中金刚石1332 cm-1特征峰明显、尖锐,荧光背底低,非金刚石相特征峰较低.     

四甲基铵三氯化镉单晶体的研究

采用溶液降温法生长了[(CH3)4N]CdCl3化合物单晶,生长参数为:生长温度45℃,降温速率0.05～01℃/d,经过30天生长,可获得尺寸为18.6mm×17.6mm×20.8mm的单晶.测定了晶体的红外光谱,X射线衍射和热分析;研究了晶体的形貌、组成和结构.[(CH3)4N]CdCl3属P63空间群,晶胞参数为a=0.9116(5),b=0.9122(3),c=0.6725(4)nm.     

衬底的Al化处理对AlN性能的影响

研究了衬底的Al化处理对采用MOCVD法在c面蓝宝石衬底上高温生长AlN外延层的影响机制.通过原位监测监控整个外延生长过程,同时对AlN外延层的表面形貌和晶体质量以及应变状态进行表征研究.结果表明衬底的Al化处理导致AlN外延层的表面更加平整但是晶体质量下降,同时对外延层的应变也有很明显的影响.     

直流辉光放电CVD法均匀生长纳米金刚石薄膜的研究

采用直流辉光放电化学气相沉积设备,以H2/CH4/Ar混合气体为工作气体,在2英寸硅片沉积出了晶粒尺寸为20～ 40 nm的纳米金刚石薄膜.采用SEM、Raman、微摩擦试验机等分析了不同CH4浓度、Ar浓度对NCD薄膜生长特性的影响.研究结果表明:金刚石薄膜的晶粒尺寸随着CH4浓度的增加而减小,但是过高的CH4浓度会导致石墨相大量生成;随着Ar浓度的增加,金刚石薄膜的晶粒尺寸逐渐细化,但过量Ar的掺入会降低金刚石薄膜的质量;在合适的工艺参数下,薄膜摩擦系数最低可以降低到0.12,NCD薄膜的最大沉积直径为140 mm.     

大尺寸单晶金刚石薄膜的外延生长

用电子回旋共振等离子体增强的化学汽相沉积法, 在单晶硅衬底上外延生长出了近于100μm2的单晶金刚石薄膜.使用的原料气体是高纯的氢气和甲烷,生长前没有对衬底做划痕和研磨等预处理.生长中是把衬底放在ECR共振区,并施加了射频负偏压.研究证实,在单晶金刚石薄膜的外延中,硅衬底表面形成高质量结晶的β-SiC过渡层是外延生长金刚石单晶的关键条件;而射频负偏压对于β-SiC过渡层的形成是致关重要的条件.     

高纯低位错密度单晶金刚石的制备与表征

金刚石以高导热率、强抗辐射性、高的电子迁移率等优异性能，成为辐射探测器最合适的材料之一。探测器级的金刚石要求具有极低的杂质含量及位错密度等，然而实际过程中同时实现杂质和位错的控制十分困难。本研究采用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法，通过前期的参数优化，在最佳生长温度780℃、最佳甲烷浓度5%条件下，在两个高质量高温高压(HPHT)金刚石衬底样品上进行了MPCVD金刚石生长，并对衬底和生长层的氮杂质含量与缺陷结构进行了综合表征与分析。电子顺磁共振谱结果表明，相比两个HPHT衬底样品的氮杂质原子百分数分别为7.1×10^-6%和4.04×10^-6%,MPCVD生长层的氮杂质原子百分数明显减少，分别为2.1×10^-7%和5×10^-8%。由X射线摇摆曲线和白光形貌术测试结果发现，尽管MPCVD生长过程中引入了部分位错，使生长层应力增加，畸变区域较多，但总体位错与高质量衬底为同一数量级。本研究制备的高纯单晶金刚石有望应用于核辐射探测及半导体领域。     

探测器级单晶金刚石材料的生长

采用高质量高温高压单晶金刚石衬底,通过等离子体环境净化的方法获得高纯、低缺陷密度金刚石材料,有望应用于医疗、核、宇宙射线等辐射探测器.采用微波化学气相沉积方法成功外延生长出了8 mm×8 mm的高质量单晶金刚石材料.晶体内无明显的应力集中区,X射线摇摆曲线(004)峰半高宽0.008°,PL光谱中未见与氮相关杂质,基于电子顺磁共振测试孤氮杂质含量为23ppb.