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鄭州華晶金剛石股份有限公司

高氣壓下雙基片結構MPCVD側向外延生長單晶金剛石的研究

關鍵詞 單晶金剛石 , CVD|2021-09-09 09:58:53|來源 DT半導體
摘要 單晶金剛石(SCD)具有優異的物理化學性能,在制備時通常需要高功率微波等離子體源,可以通過提高功率或者增加壓力等方式來進行制備。然而,在高沉積壓力作用下,微波等離子球的體積不利于制...

       單晶金剛石(SCD)具有優異的物理化學性能,在制備時通常需要高功率微波等離子體源,可以通過提高功率或者增加壓力等方式來進行制備。然而,在高沉積壓力作用下,微波等離子球的體積不利于制備大尺寸的SCD。為解決此問題,可以采用外延橫向生長的方法來實現在高壓下大尺寸SCD的橫向擴大生長。

       武漢工程大學馬志斌教授團隊采用具有雙基片結構的微波等離子體化學氣相沉積(MPCVD)裝置,在高壓下(≥20 kPa)對SCD側向外延的生長進行研究。利用發射光譜在線診斷分析壓力對H2/CH4等離子體基團分布均勻性的影響,結合單晶金剛石外延樣品光學形貌、Raman表征結果分析等離子體中基團分布對單晶金剛石側向外延生長的影響。

       結果表明:當壓力為20 kPa時,等離子體中基團沿襯底徑向分布較對稱,單晶金剛石四周呈側向外延生長模式,整個生長面及四周無多晶金剛石出現,形貌和質量分布均勻;當壓力升高至21.5 kPa時,等離子體球的中心向微波反射端(遠離微波源方向)偏移,單晶金剛石晶種部分側邊與等離子體接觸狀態變差,對應的側邊外圍開始出現多晶金剛石,而位于等離子體包覆區的晶種側邊呈側向外延生長模式。雖然該區域的側向生長速率隨氣壓的增加得到了提高,但側向生長過渡區域臺階間距及走向開始變得不一致,晶體質量有所下降。由于部分側邊多晶金剛石外圈的出現,最終生長面有效的側向外延擴大面積并沒有隨氣壓的升高而增加。

       相關的成果以“Epitaxial lateral growth of single-crystal diamond under high pressure by a plate-to-plate MPCVD”為題,發表在Functional Diamond 上。

       ?圖文解析

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圖1. 在Mo半開放襯底上的 MPCVD 和 SCD 種子示意圖

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圖2. 拋光后SCD種子生長的光學顯微鏡圖像

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圖3. 不同壓力下的SCD試樣,(a) 20 kPa;(b) 21.5 kPa;和(c) 23 kPa

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圖4. 生長時SCD邊緣區域的光學顯微鏡圖像,(A1-A4) 20 kPa;(B1-B4) 21.5 kPa;(C1-C4) 23 kPa

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(a) 在 20 kPa 下生長的角上 SCD 樣品的光學顯微鏡圖像。(b 和 c) 在樣品 (a) 一側觀察到的光學顯微鏡圖像

       ?通訊作者

       馬志斌博士,武漢工程大學教授,博士生導師。主要從事等離子體技術與MPCVD金剛石方面的研究。自主設計開發了系列用于金剛石制備、具有完全自主知識產權的微波等離子體設備。開發的多功能等離子體裝置被100多所高校、研究所及企業采用。先后主持武漢市科技局晨光計劃、湖北省自然科學基金、國家自然科學基金及橫向項目20余項。結合工業、科研及高校教學領域對等離子體技術的實際應用需求,編寫專著1部。在國內外核心刊物上以第一作者和通訊作者發表學術論文70余篇,其中SCI收錄論文40余篇,EI收錄論文20余篇。獲授權發明專利16項,并有多項專利已得到產業化應用。

       武漢工程大學等離子體化學與新材料湖北省重點實驗室長期致力于等離子體技術與CVD金剛石、新能源半導體材料方面的研究。2001年至今,圍繞高質量、大尺寸多晶和單晶金剛石制備與應用的需要,開展微波等離子體技術與先進微波等離子體化學沉積裝備的研制工作。開發出系列等離子體源,微波等離子體射流裝置,熱絲化學氣相沉積設備,電子回旋共振等離子體設備和微波等離子體化學氣相沉積(MPCVD)設備。在MPCVD制備高質量、英寸級金剛石及高端CVD金剛石應用等方面取得重要進展,具體包括開發出具有雙基片臺結構的MPCVD,75 kW級915 MHz MPCVD,大尺寸單晶金剛石的二維擴大生長技術及納米金剛石真空窗口的制備技術。團隊成員主持完成了多項國家、省市級科研項目,包括國家自然科學基金、國家重大研究計劃培育項目、湖北省自然科學基金、武漢市科技局晨光計劃及若干橫向項目等。等離子體化學與新材料湖北省重點實驗室主要成員獲得國家技術發明二等獎1項,湖北省科技進步二等獎1項。

       ?文獻信息

       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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