1 1.哈尔滨工业大学 航天学院, 哈尔滨 150000
2 2.深圳市恒运昌真空技术有限公司, 深圳 518000
微波等离子体化学气相沉积(Microwave plasma chemical vapor deposition, MPCVD)技术是制备大尺寸、高品质单晶金刚石的理想途径, 然而MPCVD单晶金刚石生长过程的复杂性与晶体生长需求的多样性难以对生长过程进行优化设计。针对此问题, 本研究提出了一种基于等离子体诊断技术的MPCVD单晶金刚石生长的系统性设计方法, 采用等离子体成像和光谱分析对微波等离子体进行量化诊断。并利用自主研发的MPCVD设备, 研究了腔室压力-微波功率-等离子体性状-衬底温度间的物理耦合特性和量化关系, 得到了不同参数下的等离子体有效长轴尺寸、基团浓度和分布、能量密度等数据, 以实验观测数据为基础拟合得到了单晶金刚石生长工艺图谱。根据此工艺图谱, 可以通过选择生长温度和所需生长面积来选取工艺参数, 且通过实验验证, 表明此图谱具有较强的指导意义, 预测参数误差小于5%。同时根据该图谱的预测, 研究了不同等离子体能量密度下的单晶金刚石生长情况, 在较低功率下(2600 W)也得到了较高的能量密度(148.5 W/cm3), 含碳前驱体的浓度也高于其他工艺条件, 因而获得了较高的生长速率(8.9 μm/h)。此套方法体系可以针对不同单晶金刚石生长需求进行有效的等离子体调控和工艺优化。
MPCVD 单晶金刚石生长 等离子体 生长参数优化 MPCVD single crystal diamond growth plasma optimization of growth parameters
1 1.哈尔滨工业大学 航天学院, 哈尔滨 150000
2 2.湖北碳六科技有限公司, 宜昌 443000
单晶金刚石是一种性能优异的晶体材料, 在先进科学领域具有重要的应用价值。在微波等离子体化学气相沉积(Microwave plasma chemical vapor deposition, MPCVD)单晶金刚石生长中, 如何提高晶体的生长速率一直是研究者们关注的重点问题之一, 而采用高能量密度的等离子体是提高单晶金刚石生长速率的有效手段。在本研究中, 首先通过磁流体动力学(Magnetohydrodynamic, MHD)模型仿真计算, 优化设计了特殊的等离子体聚集装置; 随后基于模拟结果进行生长实验, 采用光谱分析和等离子体成像对等离子体性状进行了研究, 制备了单晶金刚石生长样品; 并通过光学显微镜、拉曼光谱对生长样品进行测试。模拟结果显示, 聚集条件下的核心电场和电子密度是普通条件下的3倍; 生长实验结果显示, 在常规的微波功率(3500 W)、生长气压(18 kPa)下得到的高能量密度(793.7 W/cm3)的等离子体与模型计算结果吻合。高能量密度生长条件并不会对生长形貌产生较大影响, 但加入一定量氮气能够显著改变生长形貌, 并对晶体质量产生影响。采用这种方法, 成功制备了高速率(97.5 μm/h)单晶金刚石。不同于通过增大生长气压来获得高能量密度的途径, 本研究在常规的生长气压和微波功率下也可以生长高能量密度单晶金刚石。
MPCVD单晶金刚石生长 高能量密度 高生长速率 等离子体仿真 MPCVD single crystal diamond growth high energy density high growth rate plasma simulation
1 武汉工程大学材料科学与工程学院，湖北省等离子体化学与新材料重点实验室，武汉 430205
2 上海征世科技股份有限公司，上海 201700
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。
单晶金刚石 同质外延 内应力 二氧化碳 single crystal diamond MPCVD MPCVD homogeneous epitaxy internal stress carbon dioxide
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
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。
人造金刚石 甲烷浓度 单晶外延 表面形貌优化 synthetic diamond MPCVD MPCVD methane concentration single crystal epitaxial surface optimization
1 西安交通大学，电子物理与器件教育部重点实验室，西安 710049
2 西安交通大学电子与信息学部，宽禁带半导体与量子器件研究所，西安 710049
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)。
单晶金刚石 p型掺杂 硼掺杂 同质外延 硼碳比 甲烷浓度 硼氧共掺 空穴迁移率 single crystal diamond p-type doping boron doping MPCVD MPCVD homoepitaxial B/C ratio methane concentration B-O co-doping hole mobility
1 河北省激光研究所, 石家庄 050081
2 河北普莱斯曼金刚石科技有限公司, 石家庄 050081
3 南京电子器件研究所, 微波毫米波单片和模块电路重点实验室, 南京 210016
4 南京大学电子科学与工程学院, 南京 210093
采用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)技术, 通过改变气源中的氮含量, 得到不同结晶质量的单晶金刚石, 通过激光切割以及抛光控制样品尺寸为5 mm×5 mm×0.5 mm, 然后对样品进行表面氢化处理并研制了金刚石射频器件, 系统研究了氮含量对金刚石材料晶体质量和金刚石射频器件性能的影响。随着氮含量的增加, 虽然单晶金刚石生长速率有所增加, 但是其拉曼半峰全宽(FWHM)、XRD摇摆曲线半峰全宽也逐渐增加, 光致发光光谱中对应的NV缺陷逐渐增多, 晶体结晶质量逐渐变差, 不仅导致沟道载流子的迁移率出现退化, 而且也使金刚石射频器件出现了严重的电流崩塌和性能退化问题。通过降低氮浓度, 提升材料的结晶质量, 沟道载流子迁移率得到显著提升, 金刚石射频器件的电流崩塌得到有效抑制, 电流增益截止频率fT和功率增益截止频率fmax分别从17 GHz和22 GHz大幅度提升至32 GHz和53 GHz。
氮含量 微波等离子体化学气相沉积 晶体质量 氢终端金刚石 沟道载流子迁移率 电流崩塌 金刚石射频器件 频率特性 nitrogen content MPCVD crystalline quality hydrogen-terminal diamond channel carrier mobility current collapse diandimond RF transistor frequency performance
1 西安交通大学，电子物理与器件教育部重点实验室，西安 710049
2 西安交通大学电子与信息学部，宽禁带半导体与量子器件研究所，西安 710049
本综述分析了微波等离子化学气相沉积(MPCVD)单晶金刚石生长及其电子器件近年来的研究进展，并对其进行展望。详细介绍了金刚石宽禁带半导体特性、生长原理、生长设备、衬底处理。研究了影响MPCVD单晶金刚石生长的关键因素，为获得最优生长条件提供指导。分析了横向外延、拼接生长、三维生长等关键性生长技术，逐步提高单晶金刚石的质量和面积。在金刚石掺杂的研究中，详细介绍了n型和p型掺杂的研究进展。通过对金刚石肖特基二极管、氢终端金刚石场效应晶体管、紫外探测器的研究，展现了金刚石在电子器件领域的成果和进展。最后总结了MPCVD单晶金刚石生长及其电子应用过程中面临的挑战，展望了金刚石在电子器件领域的巨大应用前景。
金刚石 横向外延 拼接生长 掺杂 二极管 场效应晶体管 探测器 diamond MPCVD MPCVD lateral overgrowth mosaic growth doping diode field effect transistor detector
1 长沙新材料产业研究院有限公司，航天新材料湖南省重点实验室，长沙 410082
2 北京无线电计量测试研究所，北京 100039
微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法产生的等离子体密度高，材料外延生长过程可控性好且洁净度高，是制备高质量金刚石膜的重要方法。基于谐振腔理论和三维全波电磁场仿真，对MPCVD设备微波系统中谐振腔、模式转换器、样品托等影响微波传输效率及电场分布形态的部件进行设计和优化，并通过对微波传输系统关键参量的测试和监控，研究系统调试变量对金刚石外延生长的影响。基于自研的MPCVD设备，实现较高品质金刚石膜的合成，金刚石有效生长区域为50 mm圆面，外延生长速度10~25 μm/h，单晶样品的表征结果显示合成的金刚石透光率接近理论值，材料的结晶程度良好，氮、硅等杂质含量较低。
微波等离子体化学气相沉积 微波系统 谐振腔 金刚石膜 透光率 杂质含量 MPCVD microwave system resonant cavity diamond film optical transmittance impurity content
1 哈尔滨工业大学航天学院，哈尔滨 150001
2 上海卫星装备研究所，上海 200240
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**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 微波导离子体化学气相沉积 界面 拉曼光谱 PL光谱 single crystal diamond microwave plasma chemical vapor deposition (MPCVD) interface Raman spectrum PL spectrum
