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郑州华晶金刚石股份有限公司

高气压下双基片结构MPCVD侧向外延生长单晶金刚石的研究

关键词 单晶金刚石 , CVD|2021-09-09 09:58:53|来源 DT半导体
摘要 单晶金刚石(SCD)具有优异的物理化学性能,在制备时通常需要高功率微波等离子体源,可以通过提高功率或者增加压力等方式来进行制备。然而,在高沉积压力作用下,微波等离子球的体积不利于制...

       单晶金刚石(SCD)具有优异的物理化学性能,在制备时通常需要高功率微波等离子体源,可以通过提高功率或者增加压力等方式来进行制备。然而,在高沉积压力作用下,微波等离子球的体积不利于制备大尺寸的SCD。为解决此问题,可以采用外延横向生长的方法来实现在高压下大尺寸SCD的横向扩大生长。

       武汉工程大学马志斌教授团队采用具有双基片结构的微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)装置,在高压下(≥20 kPa)对SCD侧向外延的生长进行研究。利用发射光谱在线诊断分析压力对H2/CH4等离子体基团分布均匀性的影响,结合单晶金刚石外延样品光学形貌、Raman表征结果分析等离子体中基团分布对单晶金刚石侧向外延生长的影响。

       结果表明:当压力为20 kPa时,等离子体中基团沿衬底径向分布较对称,单晶金刚石四周呈侧向外延生长模式,整个生长面及四周无多晶金刚石出现,形貌和质量分布均匀;当压力升高至21.5 kPa时,等离子体球的中心向微波反射端(远离微波源方向)偏移,单晶金刚石晶种部分侧边与等离子体接触状态变差,对应的侧边外围开始出现多晶金刚石,而位于等离子体包覆区的晶种侧边呈侧向外延生长模式。虽然该区域的侧向生长速率随气压的增加得到了提高,但侧向生长过渡区域台阶间距及走向开始变得不一致,晶体质量有所下降。由于部分侧边多晶金刚石外圈的出现,最终生长面有效的侧向外延扩大面积并没有随气压的升高而增加。

       相关的成果以“Epitaxial lateral growth of single-crystal diamond under high pressure by a plate-to-plate MPCVD”为题,发表在Functional Diamond 上。

       ◾图文解析

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图1. 在Mo半开放衬底上的 MPCVD 和 SCD 种子示意图

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图2. 抛光后SCD种子生长的光学显微镜图像

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图3. 不同压力下的SCD试样,(a) 20 kPa;(b) 21.5 kPa;和(c) 23 kPa

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图4. 生长时SCD边缘区域的光学显微镜图像,(A1-A4) 20 kPa;(B1-B4) 21.5 kPa;(C1-C4) 23 kPa

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(a) 在 20 kPa 下生长的角上 SCD 样品的光学显微镜图像。(b 和 c) 在样品 (a) 一侧观察到的光学显微镜图像

       ◾通讯作者

       马志斌博士,武汉工程大学教授,博士生导师。主要从事等离子体技术与MPCVD金刚石方面的研究。自主设计开发了系列用于金刚石制备、具有完全自主知识产权的微波等离子体设备。开发的多功能等离子体装置被100多所高校、研究所及企业采用。先后主持武汉市科技局晨光计划、湖北省自然科学基金、国家自然科学基金及横向项目20余项。结合工业、科研及高校教学领域对等离子体技术的实际应用需求,编写专著1部。在国内外核心刊物上以第一作者和通讯作者发表学术论文70余篇,其中SCI收录论文40余篇,EI收录论文20余篇。获授权发明专利16项,并有多项专利已得到产业化应用。

       武汉工程大学等离子体化学与新材料湖北省重点实验室长期致力于等离子体技术与CVD金刚石、新能源半导体材料方面的研究。2001年至今,围绕高质量、大尺寸多晶和单晶金刚石制备与应用的需要,开展微波等离子体技术与先进微波等离子体化学沉积装备的研制工作。开发出系列等离子体源,微波等离子体射流装置,热丝化学气相沉积设备,电子回旋共振等离子体设备和微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)设备。在MPCVD制备高质量、英寸级金刚石及高端CVD金刚石应用等方面取得重要进展,具体包括开发出具有双基片台结构的MPCVD,75 kW级915 MHz MPCVD,大尺寸单晶金刚石的二维扩大生长技术及纳米金刚石真空窗口的制备技术。团队成员主持完成了多项国家、省市级科研项目,包括国家自然科学基金、国家重大研究计划培育项目、湖北省自然科学基金、武汉市科技局晨光计划及若干横向项目等。等离子体化学与新材料湖北省重点实验室主要成员获得国家技术发明二等奖1项,湖北省科技进步二等奖1项。

       ◾文献信息

       Epitaxial lateral growth of single-crystal diamond under high pressure by a plate-to-plate MPCVD

       Wei Cao, Deng Gao, Hongyang Zhao and Zhibin Ma

       Functional Diamond

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