红外与激光工程
2024, 53(2): 20230567
1 1.北京科技大学 新材料技术研究院, 北京 100083
2 2.北京科技大学 顺德创新学院, 佛山 528399
3 3.北方工业大学 机械与材料工程学院, 北京 100144
均匀生长大尺寸光学级金刚石膜一直是微波化学气相沉积(Microwave plasma chemical vapor deposition, MPCVD)金刚石研究领域的热点和难点, 沉积台的结构与位置对于金刚石膜均匀性以及厚膜生长的长期稳定性至关重要。本研究通过COMSOL模拟结合实验研究了沉积台高度对衬底表面电场均匀性、等离子体状态和温度均匀性的影响规律, 优化了光学级金刚石膜均匀生长的工艺参数, 在最佳沉积台高度(2 mm)下沉积得到的2英寸金刚石膜(最大厚度337 μm), 厚度不均匀性<11%, 从膜中心到边缘的拉曼半峰全宽为3~4 cm-1, 可见光波段内最高透过率为69%~70%, 10.6 μm处红外透过率为70%。结果表明: 金刚石膜的厚度和品质较为均匀, 实现了两英寸光学级金刚石膜的均匀沉积。沉积台高度对衬底表面的电场分布、等离子体形状和温度分布都有一定影响, 随着沉积台高度增加, 衬底表面电场分布均匀性和温度均匀性得到明显改善, 且衬底表面的等离子体分布更均匀, H原子和含碳基团的浓度增加。
光学级金刚石膜 温度均匀性 红外透过率 沉积台高度 COMSOL模拟 optical grade diamond film temperature uniformity infrared transmittance deposition platform height COMSOL simulation
1 北京科技大学 新材料技术研究院，北京 100083
2 郑州航空工业管理学院 河南省航空材料与应用技术重点实验室，河南 郑州 450046
3 天津津航物理技术研究所，天津 300308
稀土掺杂可以有效地改变基体材料的结构并提高使用性能。利用磁控溅射法在单晶硅和多晶CVD金刚石上分别制备了未掺杂及La掺杂的Y2O3薄膜，研究了La掺杂氧化钇（Y2O3）增透薄膜的组成、结构及性能。X射线光电子能谱（XPS）和掠入射X射线（GIXRD）研究表明，金属La与O相互作用，以La-O化合物形式存在于Y2O3薄膜中，未掺杂的Y2O3薄膜呈现立方（222）面柱状晶体取向，随着La掺杂功率的增加，开始出现新的单斜Y2O3相（111）晶面。从扫描电镜（SEM）观察到不同La掺杂功率下Y2O3薄膜呈现柱状晶结构，结晶质量较好。由原子力显微镜（AFM）证实，与未掺杂的Y2O3薄膜相比，La掺杂的Y2O3薄膜具有较低的粗糙度(RMS)值。在La掺杂的Y2O3薄膜中，随着La浓度的增加，柱状晶的晶粒尺寸显著减小。在8~12 μm的长波红外范围内，La掺杂后的Y2O3/金刚石薄膜最大透过率为80.3%，与CVD金刚石相比，透过率提高19.8%。颗粒细小的La掺杂Y2O3薄膜具有较高的硬度和弹性模量，硬度由未掺杂(12.02±0.37) GPa增加到(14.14±0.39) GPa，弹性模量由(187±14) GPa 增加到(198±7.5) GPa。结果表明，与未掺杂Y2O3薄膜相比，La掺杂的Y2O3薄膜在保持较高红外透过率条件下，通过细晶强化获得了更高的硬度，有利于提升砂蚀、雨蚀等冲刷性能。
CVD 金刚石 Y2O3增透膜 La掺杂 透过率 CVD diamond Y2O3 anti-reflection film La doping transmittance 红外与激光工程
2023, 52(12): 20230240
金刚石作为超宽禁带半导体材料的代表，逐渐成为大家关注的热点。尽管在材料制备、器件研制与性能方面取得了一定进展，但其半导体掺杂技术至今没有很好解决。氢终端金刚石由于具有典型的二维空穴气而被广泛应用于微波功率器件的研究，但其存在稳定性不佳、界面态浓度较高等问题。相比而言，近年来出现的硅终端(C-Si)金刚石具有比氢终端(C-H)金刚石更低的界面态密度、更高的阈值电压、载流子密度和稳定性等优点，有望解决氢终端金刚石半导体器件的问题。硅终端金刚石电子器件表现出高阈值电压的增强型特性，其机制尚不明确。本文从氢终端金刚石的结构、导电机理出发，分析限制其发展的主要问题，并综述了硅终端金刚石的导电机理、制备方法以及相应的界面结构，初步分析了硅终端MOSFETs的性能水平，最后阐述了目前硅终端金刚石发展存在的问题并展望了其发展前景。
硅终端金刚石 金刚石半导体 场效应管器件 silicon-terminated diamond diamond semiconductor field-effect transistor devices
1 北京科技大学新材料技术研究院, 北京 100083
2 湘潭大学材料科学与工程学院, 湘潭 411105
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。
单晶金刚石 氮杂质 位错 白光形貌术 电子顺磁共振 single crystal diamond nitrogen impurity dislocation white light topography electron paramagnetic resonance
1 北京科技大学新材料技术研究院，北京 100083
2 北京遥感设备研究所，北京 100854
3 北京科技大学顺德研究生院，广东 佛山 528399
具有通孔结构的金刚石在高精度引线成形及高功率微波器件散热领域具有广阔的应用前景。使用激光技术对自支撑多晶金刚石膜进行微孔加工，并采用场发射环境扫描电子显微镜对微孔进行形貌分析。当激光功率达到17.6 W时，微孔表面发生破坏和断裂，断裂位置有明显的条纹结构，这可能是热应力引起的裂纹扩展、互连形成的。采用激光共聚焦扫描显微镜测量微孔剖面，进一步分析微孔锥度的变化，结果表明：微孔上端内表面粗糙，微孔锥度随着激光功率的增大而增大。使用激光拉曼光谱仪和X射线光电子能谱仪进行表面成分表征，以分析激光功率对微孔外表面及内表面的影响，以及缺陷产生的原因。结果显示：沉积物的主要成分为石墨，且石墨化程度随着激光功率的增加而增大。能量在向下传递过程中被金刚石吸收，并使金刚石石墨化；微孔下端接收的能量减少，因此微孔最终呈现为锥形。通过引入金刚石烧蚀阈值进行分析，揭示了激光微孔加工过程中的材料去除机理及微孔成形过程。在高激光功率下，微孔外表面出现破损，内表面出现明显的条纹状结构。微孔外表面及内表面的石墨化程度均随着激光功率的增加而增大。随着激光功率的增加，微孔锥度减小，微孔垂直度变好。激光在加工过程中对微孔内表面应力的影响大于对微孔边缘位置应力的影响。
激光技术 金刚石 微孔 石墨化 热应力 中国激光
2023, 50(24): 2402404
光学级金刚石膜的快速生长一直是微波化学气相沉积金刚石研究领域的热点和难点之一，通常对于大尺寸金刚石膜的生长速率和光学质量不可兼得。采用正交实验方法，优化光学级金刚石膜的工艺参数，最终在高功率、高甲烷同时辅助氧气刻蚀条件下，实现了光学级金刚石材料的快速生长，其生长速率为3.1 μm/h，可见光波段内透过率最高为70.9%，10.6 μm处红外透过率达到68.9%。等离子体诊断结果表明，高质量金刚石的快速生长主要由于高功率密度有助于原子H的激发和CH4的分解，加入氧气也有助于CH4的分解，同时对非金刚石相具有刻蚀作用，从而实现了高质量金刚石膜的快速沉积。
光学级金刚石膜 正交实验法 高功率密度 高生长速率 氧气 光学学报
2023, 43(19): 1931001
1 北京科技大学新材料技术研究院，北京 100083
2 中国科学院高能物理研究所核探测与核电子学国家重点实验室，北京 100049
3 东莞中子科学中心，广东 东莞 523800
采用高能电子辐照结合真空退火，在金刚石内部形成氮空位色心。对比研究了辐照与退火前后金刚石宏观颜色变化及内部缺陷转变，讨论了不同辐照剂量和真空退火温度对氮空位产率的影响规律。结果显示，氮空位色心浓度随着辐照剂量的增加呈现先升高后降低的趋势，这是由于辐照剂量越高则空位更容易形成空位簇，空位簇在退火过程中不能形成氮空位色心。氮空位色心浓度随退火温度的升高逐渐增加，在800~900 ℃区间达到饱和，当温度继续升高时，氮空位色心浓度反而下降，这源于辐照过程产生的间隙原子在高温下与氮空位的相互作用。
光学器件 氮空位色心 金刚石 电子辐照 退火 光学学报
2022, 42(13): 1316001
1 北京科技大学新材料技术研究院，北京 100083
2 北京科技大学顺德研究生院，佛山 528399
微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法制备的高质量金刚石在很多领域均有广泛应用前景。本研究采用9 kW微波功率，分别在13 kPa、14 kPa、15.5 kPa、17 kPa的腔室压力下进行薄膜沉积实验，发现在15.5 kPa、17 kPa的腔室压力下沉积的薄膜在中心区域出现异常生长情况，具体表现为中心存在明显的阶梯式凸起。为揭示薄膜中心出现异常沉积的原因，使用SEM和Raman分析薄膜表面形貌和质量，通过数值模拟进行沉积过程建模计算和分析功率密度和流场分布。结果表明在相同功率下，提高腔室压力，压缩等离子体，因平均自由程较短，扩散能力不足，将导致衬底中心区域比边缘区域更易密集生长，金刚石薄膜中心区域出现明显的阶梯。同时，薄膜整体的生长速率、均匀性、质量均会在超过压力极值后降低。
金刚石薄膜 沉积压力 微波功率 均匀性 数值模拟 MPCVD
