不同温度下同质外延生长单晶金刚石的应力分析

本文利用微波等离子体化学气相沉积法(MPCVD)对不同温度区间下同质外延单晶金刚石的应力作出了相关研究,讨论了不同温度区间下单晶金刚石内部产生应力的原因.结果表明在低温区间(700～ 720℃)与高温区间(870 ～890℃)下生长金刚石内部均产生裂纹,总应力以本征应力为主,且以拉应力形式呈现.低温区间(700～720℃)下由于内部石墨杂质的生成使之产生过大的拉应力,而高温区间(870 ～890℃)下则是由于单晶金刚石生长面多晶点的出现导致拉应力集中从而产生裂纹.在合适的温度区间(770 ～830℃)下能同质外延生长出无裂纹高质量的单晶金刚石,总应力较小且热应力为主,以压应力形式呈现.     

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.     

MPCVD法在基片边缘生长大颗粒金刚石的研究

本研究在自制的5 kW大功率MPCVD装置中,利用边缘效应成功的在基片边缘处以50μm/h的沉积速率沉积出品粒尺寸达500 μm左右的大颗粒金刚石并以70μm/h沉积速率同质外延修复长大了一颗天然的单晶金刚石.在实验中,利用SEM和Raman光谱对基片边缘区域和中央区域所沉积的金刚石颗粒进行了表征.结果表明,边缘处沉积的金刚石颗粒与中央区域沉积的金刚石颗粒相比,具有更大的晶粒尺寸和更好的质量.通过仔细观察实验条件,对边缘效应产生的原因进行了分析,发现由于基片边缘放电,使得基片表面的电场强度和温度分布发生变化,从而导致基片边缘区域的等离子体密度和温度高于中央区域,高等离子体密度和温度的综合作用是使得在基片边缘能以较高的沉积速率沉积出大尺寸金刚石颗粒的主要原因.     

反应烧结碳材料表面异质外延生长SiO2晶体的研究

利用高温反应烧结在不同结构碳材料表面热蒸发进行二氧化硅(SiO2)晶体的外延生长.采用X-射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)和电子能谱仪(EDS)分析和研究了碳材料表面生成物的物相组成与显微形貌,探讨了SiO2晶体的外延生长机理.研究结果表明,不同结构碳材料表面能外延生长SiO2晶体,但形态不同.在碳纤维表面形成颗粒和短晶须状SiO2晶体,在石墨片上形成凸起团聚状SiO2晶体,而在金刚石表面首先形成了Si-O涂层,然后在Si-O涂层上生长棒状SiO2体.碳材料外延生长SiO2晶体是首先通过热蒸发法使Si沉积到碳材料表面,然后Si与体系中的O反应形成SiO2晶核,在不同结构碳材料表面生长SiO2晶体.     

直喷式直流电弧等离子化学气相沉积法金刚石单晶外延层制备研究

采用非循环直流喷射(直喷式)直流电弧等离子化学气相沉积法,在Ar/H2/CH4气氛下,成功制备了金刚石单晶外延层.试验采用的是3 mm×3 mm×1.2 mm的高温高压Ib型金刚石单晶衬底.研究了不同衬底温度和甲烷浓度对金刚石单晶外延层的形貌,速率和晶体质量的影响.采用光学显微镜,激光共聚焦表征了样品的形貌,利用千分尺测量其生长速率,利用Raman表征其晶体质量,采用OES诊断Ar/H2/CH4等离子气氛下C2、CH与Hβ的相对浓度.研究表明,温度和甲烷浓度对单晶刚石形貌和质量产生了明显的影响.在衬底为温度980℃,甲烷浓度在1.5;的条件下,生长速率达到了36 μm/h,并且晶体质量较好(半高宽仅为1.88 cm-1).同时发现生长参数对金刚石单晶外延层的生长模式有着显著地影响.     

不同反应气氛下氢终止金刚石表面的活化性能

为了探究金刚石沉积过程中不同反应气氛下萃取基团对金刚石表面活化的影响,基于金刚石的同质外延生长机理,采用第一性原理平面波赝势方法分析了三种萃取基团(H、OH、Cl)在氢终止的金刚石[100]表面的吸附难易程度;并通过过渡态搜索计算,获得了CH4/H2,CH4/H2/CH3 COCH3,C2 H5 Cl/H2三种反应气氛下金刚石氢终止表面产生活性位点的反应热及活化能.经对比分析后发现,H、OH、Cl在氢终止金刚石表面的吸附能逐渐增强,且Cl萃取金刚石表面氢原子产生活性空位的能垒最低.因而,在传统的CH4/H2气氛中引入氧元素或氯元素能有效降低金刚石表面活化所需的能量.     

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.     

InP同质外延的不稳定生长:小丘的形成

用原子力显微镜研究了在不同的条件下采用固态磷源分子束外延技术生长的InP同质外延薄膜的表面形貌。在样品的表面观察到不稳定三维岛状生长。其主要原因有两种,第一种是生长温度较低时,由于吸附原子受到附加的ES台阶边垒的阻碍作用,使扩散运动不能向台阶下面运动,而在台阶上面形成小丘,第二种是生长温度较高或V/III较低时,因生长中缺磷造成In的堆积而产生。在合适的生长条件下,可获得了光滑的2D层状生长。     

二氧化碳对同质外延生长单晶金刚石内应力的影响

本文研究了在反应气体中引入不同浓度的CO₂对微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法同质外延生长单晶金刚石内应力的影响，并对其作用机理进行了分析。研究发现，随着CO₂浓度增加，单晶金刚石内应力逐渐减小，这是由于添加的CO₂提供了含氧基团，可以有效刻蚀金刚石生长过程中的非金刚石碳，并能够降低金刚石中杂质的含量，从而避免晶格畸变，减少生长缺陷，并最终表现为单晶金刚石内应力的减小，其中金刚石内应力以压应力的形式呈现。此外反应气体中加入CO₂可以降低单晶金刚石的生长速率和沉积温度，且在合适的碳氢氧原子比(5∶112∶4)下能够得到杂质少、结晶度高的单晶金刚石。     

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。