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。     

CVD法制备高质量金刚石单晶研究进展

本文介绍了制备单晶金刚石的主要方法并对其进行了对比,从籽晶选择、预处理和生长工艺几个方面综述了微波等离子体化学气相沉积法制备金刚石单晶的研究进展,并简单介绍了目前国内外在单晶金刚石制备上的进展,最后对CVD金刚石单晶在电子领域的应用进行了展望.     

异质外延单晶金刚石及其相关电子器件的研究进展

相较于传统的硅材料,宽禁带半导体材料更适合制作高压、高频、高功率的半导体器件,被认为是后摩尔时代材料创新的关键角色。单晶金刚石拥有大禁带宽度、高热导率、高迁移率等优异特性,更是下一代大功率、高频电子器件的理想半导体材料。然而由于可获得单晶金刚石的尺寸较小,且价格昂贵,极大地阻碍了金刚石的发展。历经长时间的探索,异质外延生长技术成为了获得高质量、大面积单晶金刚石的有效手段。本综述从金刚石异质外延的衬底选择、生长机理以及质量改善等方面对近些年来异质外延单晶金刚石的发展进行详细介绍。进一步地,对基于异质外延单晶金刚石的场效应晶体管和二极管的研究进行了总结,说明了异质外延单晶金刚石在电子器件领域的巨大潜力。最后总结了异质外延单晶金刚石仍需面对的挑战,展望了其在未来的应用与发展前景。     

MPCVD单晶金刚石高速率和高品质生长研究进展

微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)技术被认为是制备大尺寸高品质单晶金刚石的理想手段之一.然而其较低的生长速率(～10μm/h)以及较高的缺陷密度(103～107 cm-2)是阻碍MPCVD单晶金刚石应用的主要因素,经过国内外研究团队数十年的不懈努力,在高速率生长和高品质生长两个方面都取得了众多成果.但是除此之外还需解决高速率与高品质生长相统一的问题,才能实现MPCVD单晶金刚石的高端应用价值.     

高质量硼掺杂单晶金刚石同质外延及电学性质研究

突破高质量、高效金刚石掺杂技术是实现高性能金刚石功率电子器件的前提。本文利用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法,以三甲基硼为掺杂源,制备出表面粗糙度0.35 nm,XRD(004)摇摆曲线半峰全宽28.4 arcsec,拉曼光谱半峰全宽3.05 cm^-1的高质量硼掺杂单晶金刚石。通过改变气体组分中硼元素的含量,实现了10¹⁶~10²⁰ cm^-3的p型金刚石可控掺杂工艺。随后,研究了硼碳比、生长温度、甲烷浓度等工艺条件对p型金刚石电学特性的影响,结果表明:在硼碳比20×10^-6、生长温度1 100 ℃、甲烷浓度8%、腔压160 mbar(1 mbar=100 Pa)时p型金刚石迁移率达到207 cm²/(V·s)。通过加氧生长可以提升硼掺杂金刚石结晶质量,降低杂质散射。当氧气浓度为0.8%时,样品空穴迁移率提升至 614 cm²/(V·s)。     

MPCVD单晶金刚石初始及断续生长界面的表征与分析

采用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)技术制备的大尺寸、高质量单晶金刚石材料具备卓越的物理化学性能,在珠宝、电子、核与射线探测等消费品、工业和国防科技领域极具应用前景.研究发现在化学气相沉积单晶金刚石生长过程中,在衬底与外延层之间,以及生长中途停止-继续生长的生长层之间出现明显的界面区.本文采用偏光显微镜、拉曼光谱、荧光光谱(PL)等手段对界面区域进行了测试分析,界面区在偏光显微镜下表现出因应力导致的亮区,且荧光光谱(PL)及其线扫描显示该区域的NV色心含量远高于衬底及其前后外延层,表明该界面区具有较高的缺陷和杂质含量.结果表明在生长高品质单晶金刚石初期就应当采取一定手段进行品质调控,并尽量在一个生长周期内完成制备.     

单晶金刚石p型和n型掺杂的研究

超宽禁带半导体材料金刚石在热导率、载流子迁移率和击穿场强等方面表现出优异的性质,在功率电子学领域具有广阔的应用前景。实现p型和n型导电是制备金刚石半导体器件的基础要求,其中p型金刚石的发展较为成熟,主流的掺杂元素是硼,但在高掺杂时存在空穴迁移率迅速下降的问题;n型金刚石目前主流的掺杂元素是磷,还存在杂质能级深、电离能较大的问题,以及掺杂之后金刚石晶体中的缺陷造成载流子浓度和迁移率都比较低,电阻率难以达到器件的要求。因此制备高质量的p型和n型金刚石成为研究者关注的焦点。本文主要介绍金刚石独特的物理性质,概述化学气相沉积法和离子注入法实现金刚石掺杂的基本原理和参数指标,进而回顾两种方法进行单晶金刚石薄膜p型和n型掺杂的研究进展,系统总结了其面临的问题并对未来方向进行了展望。     

BAs晶体生长研究进展

立方砷化硼(BAs)为间接带隙、闪锌矿结构的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料。理论分析预测BAs具有仅次于金刚石的超高热导率,在电子器件散热领域表现出广阔应用前景,成为当前的研究热点。近年来立方BAs单晶材料的制备取得突破性进展,采用化学气相传输法(CVT)合成了毫米尺寸的高质量单晶,室温下热导率高达1 300 W·m^-1·K^-1。本文介绍了BAs单晶的性质和生长方法,综述了材料研究进展,阐述了晶体生长面临的技术挑战,并对发展前景进行了展望。     

N型半导体金刚石的研究现状与展望

作为半导体材料的金刚石具有宽的禁带宽度和高的热导率、介质击穿场强等优异性质,因此其应用前景广阔.P型金刚石发展较N型金刚石成熟.因为缺乏可实用的N型金刚石材料,这使得金刚石半导体器件的应用难以实现.因此N型半导体金刚石成为研究者关注的焦点.论文从掺杂元素和制备方法两方面详细介绍了国内外N型金刚石的研究现状.硼与磷或硫元素共掺杂获得N型金刚石的研究取得了较大进展;利用化学气相沉积法和离子注入法制备N型半导体金刚石研究较多且取得了一定进展.高压高温下的温度梯度法便于掺杂调控金刚石性能,因而利用该法合成N型半导体金刚石大单晶值得尝试.     

MPCVD金刚石单晶的制备及其应用前景

金刚石具有优异的物理化学性能,在很多领域的应用前景十分诱人.用化学气相沉积(CVD)法实现高沉积速率、高质量、大面积金刚石单晶的制备成为了当今研究的一个热点.本文综述了影响微波等离子体化学气相沉积法制备单晶金刚石的工艺参数,并简单介绍了国内外在单晶金刚石制备上的进展,最后对CVD金刚石单晶的应用前景进行了展望.     

自支撑金刚石厚膜表面外延掺硼金刚石薄膜研究

采用微波等离子体化学气相沉积技术(MPCVD),在抛光厚度0.5 mm的高热导率自支撑金刚石厚膜表面沉积厚度10 μm掺硼金刚石薄膜,通过热导率测试仪、扫描电子显微镜、激光拉曼光谱、X射线光电子能谱以及四探针仪等测试手段对材料的热导率、形貌及微观质量、表面键合状态及导电性能等进行分析.结果表明,优化工艺后在自支撑金刚石厚膜表面外延形成了质量优异,结合力佳的掺硼金刚石薄膜,其电阻率最低为1.7 ×102 Ω·cm.同时,鉴于界面同质外延特性以及大尺寸晶粒特点,整体材料的热导率可高达1750 W/(m·K),显示这种层状复合材料良好的整体导热性能及表面导电性能.     

断续磨削加工聚晶金刚石的机理研究

分别采用超声振动冲击和脉冲激光加热技术对开槽金刚石砂轮断续磨削加工聚晶金刚石过程中的机械冲击和热冲击进行了模拟实验研究.研究结果表明,在断续磨削加工过程中,由于开槽砂轮和工件之间接触面积变化引起的磨削力周期性变化,有利于聚晶金刚石材料加工表面上的晶粒产生脆性微细破碎去除;由于开槽砂轮和工件之间接触面积变化引起的热冲击,有利于聚晶金刚石材料加工表面上的晶粒产生微细裂纹和疲劳破碎.实验结果表明,开槽金刚石砂轮磨块切入部分的磨粒以破碎损耗为主,磨块切出部分的磨粒以机械磨耗、氧化、石墨化损耗为主.     

硼掺杂金刚石薄膜研究

硼掺杂是改善金刚石薄膜电阻率的有效手段,被认为是将金刚石薄膜用于制备电化学电极的途径.本文通过CVD法在单晶硅片上制得掺硼金刚石薄膜(BDD),并采用四点探针、扫描电镜、激光拉曼和电化学工作站对之进行检测,发现随着硼掺入量的增加,薄膜电阻率逐渐降低,重掺杂时可达2.0×10-3Ω·cm.同时金刚石薄膜的固有质量出现恶化,表现为金刚石晶粒的碎化以及拉曼观察到的薄膜内应力的增加和非金刚石峰的出现.对薄膜电极进行电化学测量发现BDD电极在酸性溶液中具有非常宽的电位窗口和高的阳极极化电位,且背景电流极低.     

Diamond Synthesis in Cool Plasma

The conditions of low pressure autoepitaxy of diamond are analysed and theoretical concepts concerning the plasmochemical method of diamond synthesis put forward. The experimental method used is described. The obtained results have demonstrated the utility of the plasmochemical method for obtainment of diamond and confirmed the validity of the presented theoretical concepts.     

对触媒熔剂法金刚石生长的再认识(Ⅰ)——金刚石晶体生长的准稳定区

本文根据溶液晶体生长理论与实践,认定在金刚石结晶V形区域内存在着晶体生长准稳定区.熔剂-碳二元共熔体系处于准稳定的过饱和溶液中,准稳定的过饱和度是金刚石晶体生长的驱动力.提出了设计合理的加热组装结构、建立金刚石生长适宜压力场、温度场的必要条件,以保证在准稳定的过压度驱动下生长出晶形完整的优质金刚石.     

PDC材料烧结中钴在金刚石层中的扩散熔渗迁移过程研究

对不同烧结阶段快速冷却固化的PDC实验样品金刚石层中钴的线分布(EDX)分析结果表明,PDC材料烧结中钴在金刚石层中的运动过程经历了三个基本阶段:(1)钴固相扩散;(2)钴液熔渗;(3)两次钴高浓度峰在金刚石层中的"波浪"式迁移过程.其中第一次钴高浓度峰与金刚石聚晶结构形成密切相关;而第二次钴高浓度峰则与聚晶晶粒异常长大密切相关.钴在金刚石层中的"波浪"式迁移过程是由金刚石-钴系统中金刚石溶解再结晶生长过程造成的,在这一过程中温度梯度grad T和碳浓度差ΔC是钴峰"波浪"式迁移的直接驱动力.     

Diamond epitaxy: Basics and applications

Diamond has been used as cutting tools, and also has recently attracted extensive attention as a semiconductor. In the review, its properties and prospects of its electronic devices are shown. Then, principles of crystal growth methods, such as high-pressure, high-temperature (HPHT) and chemical vapor deposition (CVD) methods, are described. Next, current understanding of defects such as dislocations and stacking faults is described. Further, for the future electronic applications, the present status of wafer technology and impurity doping are described. Finally, the electronic devices made of diamond semiconductors are shown.     

光致发光在钻石检测中的应用

采用光致发光系统,在297 K及80 K温度下,应用氩离子激光器(波长为488 nm和514 nm)对合成钻石、HPHT处理钻石、辐照处理钻石和天然钻石进行了测试.结果表明:在80 K低温下的测试结果要远比常温297 K温度下好,可能出现由更多的缺陷产生的吸收峰.通常情况下,对于钻石样品514 nm光源激发,可以得到较多较明显的峰,而在488 nm光源激发时,可以产生503 nm和598 nm处的峰.CVD合成钻石、HPHT处理钻石、辐照处理钻石样品在低温80 K、514 nm激发时,均会出现较为明显的575 nm、637 nm峰,而天然钻石则不会出现或仅有微弱显现及偏移,两者区别明显,可以作为鉴定依据.辐照改色的钻石样品中可见到588 nm、680 nm特征峰,而天然钻石、CVD合成钻石及HPHT处理钻石中均未出现此峰,也可作为鉴定辐照改色钻石的依据.     

Diamond nanorods from nanocrystalline diamond films

Diamond nanorods (DNRs) have been prepared by hydrogen plasma post-treatment of nanocrystalline diamond films in radio-frequency (RF) plasma-assisted hot-filament chemical vapor deposition. Single-crystal diamond nanorods with diameters of 3–5 nm and with lengths up to 200 nm grow under hydrogen plasma irradiation of nanocrystalline diamond thin film on the Si substrate at high temperatures. The DNRs growth occurs from graphite clusters. The graphite clusters arises from the etching of diamond carbon atoms and from the non-diamond phase present in the parent film. The graphite clusters recrystallized to form nanocrystalline diamonds which further grow for diamond nanorods. The negative applied bias and surface stresses are suggested to support one-dimensional growth. The growth direction of diamond nanorods is perpendicular to the (1 1 1) crystallographic planes of diamond. The studies address the structure and growth mechanism of diamond nanorods.     

Er掺杂金刚石缺陷的第一性原理研究

本文以第一性原理计算为基础,研究了Er掺杂后金刚石的电子结构、能级跃迁及N、B原子共掺杂对金刚石Er相关缺陷的影响。首先对Er掺杂后金刚石的形成能与结合能进行计算,结果表明掺杂后的稳定结构为Er原子周围存在1个空位的结构,稳定价态为+3价。然后预测零点跃迁能(ZPL)是0.807 eV,对应激发的光子波长为1 536.289 nm。最后对N、B原子共掺杂计算,结果表明N、B原子的掺入可以使形成能降低,增加结构稳定性。Er掺杂金刚石使其在近红外光谱发光,为Er金刚石色心的应用提供了理论依据。