氮对MPCVD单晶金刚石生长与含量研究进展

微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)技术被认为是制备高纯单晶金刚石的首选方法。然而因为氮原子的半径与碳的原子半径相近,容易成为单晶金刚石生长层中的主要杂质,是阻碍MPCVD单晶金刚石推广应用的原因之一。经过国内外研究团队的对氮与MPCVD单晶金刚石的生长与氮杂质含量控制研究取得了一些结果。但是除此之外还需要解决氮掺杂提速与控制单晶金刚石生长层中氮杂质含量的控制统一问题,才能实现MPCVD单晶金刚石的高端领域应用。     

MPCVD法同质外延生长单晶金刚石技术概述

单晶金刚石具有极其优异的性质,如高热导率、高载流子迁移率和高的击穿电压,是制作高可靠性、高稳定性微波功率器件和探测器的理想材料,金刚石基器件可以应用于高温、高功率、强辐射的恶劣环境中。针对金刚石在电学领域与探测领域的潜在应用价值,发展高品质金刚石单晶生长技术尤为重要,而金刚石应用的首要问题是解决单晶和成本的问题。微波等离子化学气相沉积是实现低成本、大尺寸单晶金刚石生长的有效技术。对于如何提高单晶金刚石的生长速率,如何获得高质量、大尺寸单晶金刚石的问题,本文阐述了国内外微波等离子化学气相沉积法同质外延生长单晶金刚石技术研究方面取得的重要突破,详细介绍了提高MPCVD单晶金刚石沉积速率、金刚石晶片剥离技术、金刚石晶体三维生长扩大尺寸、金刚石单晶"马赛克"生长技术。     

宽带隙半导体材料SiC研究进展及其应用

SiC是第3代宽带隙半导体的核心材料之一，具有极为优良的物理化学性能，应用前景十分广阔，本文综合介绍SiC的基本特性，材料的生长技术（包括体单晶生长和薄膜外延生长技术），SiC基器件的研发现状，应用领域及发展前景，同时还介绍了作者用脉冲激光淀积法在Si衬底上制备出单晶4H-SiC薄膜的研究结果。     

直流电弧等离子体喷射法生长大尺寸金刚石单晶

化学气相沉积(CVD)大尺寸高质量金刚石单晶是近年来在CVD金刚石膜研究领域所取得的重大研究进展之一。迄今为止的研究,绝大多数都是采用微波等离子体CVD,在高腔压下(10~30kPa)进行的。这是因为,在高腔压下,微波等离子体球急剧收缩,从而能够提供高质量金刚石外延生长所需要的高原子氢浓度。借助电弧放电的极高温和旋转电弧设计,直流电弧等离子体喷射(DC Arc Plasma Jet)能够在更大衬底面积范围提供可与之相比拟的原子氢浓度,因此有可能成为一种低成本的CVD金刚石外延生长方法。文章介绍了近年来采用高功率直流电弧等离子体喷射(DC Arc Plasma Jet)生长大尺寸、高质量金刚石单晶的初步研究结果,并介绍了已经取得的进展和存在的问题,以及对未来的展望。     

氢氧刻蚀对硼掺杂单晶金刚石质量的影响

本文利用微波等离子体化学气相沉积法,在未经过刻蚀处理以及经过氢氧刻蚀处理过的单晶金刚石籽晶上进行硼掺杂外延生长,目的是证明刻蚀处理对硼掺杂单晶金刚石生长形貌与质量的影响。     

马赛克法生长大尺寸单晶金刚石的研究

使用微波等离子体设备,研究单晶金刚石衬底间距和厚度差异对拼接法制备大尺寸单晶金刚石生长的影响。通过金相显微镜观察不同衬底间距和厚度差异下金刚石的生长情况;通过扫描电子显微镜和激光拉曼光谱仪对拼接界面处的表面形貌和晶体质量进行表征合分析。结果表明,当衬底间距小于10μm时,虽然晶体的底部有明显缝隙,但是表面区域已经连成一片完整的单晶,说明拼接狭缝处沿水平方向的生长速度能够使两片衬底在接触时连成一体;当衬底厚度差异不超0.02mm时,不会出现"吞噬"现象,生长表面较为平整。     

高速生长CVD金刚石单晶及应用

文章简要地介绍了近年来国内外CVD金刚石单晶的高速生长和应用进展.实验中采用微波等离子体化学气相沉积(CVD)方法,同质外延高速生长金刚石单晶,通过改变反应腔压强、反应气氛(在CH4／H2中引入氮气N2、二氧化碳CO2、氧气O2、)等,调制单晶生长速率、质量、颜色、表面粗糙度、光谱等特性.利用高温氢等离子体进行退火,可使金刚石单晶的颜色有很大的改善.研制了CVD金刚石单晶刀具,用于金属材料的曲面镜面加工.     

单晶硅衬底异质外延3C-SiC薄膜研究进展

3C-SiC薄膜的外延生长一直是SiC材料制备领域的一个热点,单晶Si衬底异质外延3C-SiC是实现大尺寸、低成本薄膜的有效方法,备受人们关注.单晶Si与3C-SiC之间存在较大的晶格失配(20％)和热膨胀系数差异(8％),严重制约着高质量单晶薄膜的制备.本文对单晶Si衬底异质外延3C-SiC薄膜的基本原理和工艺过程进行了总结,着重介绍了薄膜生长中的缺陷和可控掺杂方面的研究进展以及面临的挑战,并对今后的研究热点做了归纳展望.     

单晶金刚石膜与多晶金刚石膜的制备工艺及性能

本文主要介绍了用微波等离子体化学气相沉积法(以下简称MP CVD法)以甲醇-氢气混合气和丙酮-氢气混合气为源气体,分别以单晶硅的(111)面和人造金刚石的(100)面为衬底材料,制备出了面积为20mm×20mm厚为10μm的多晶金刚石膜和面积为1.0mm×1.0mm厚为5μm的单晶金刚石膜。通过试验发现,源气体配比和衬底温度对薄膜质量起决定性作用。另外,衬底在反应腔中的位置对薄膜的生成也有很大影响。单晶金刚石膜制备过程中衬底金刚石的晶体取向与金刚石薄膜的生长及质量有密切的关系。在金刚石的(100),(110)和(111)面上分别获得了单晶金刚石膜和金刚石多晶粒子。选用扫描电镜、显微激光拉曼、反射电子衍射对多晶金刚石膜及单晶金刚石膜的性能进行了测试。     

微波等离子体化学气相沉积法合成高导热金刚石材料及器件应用进展

随着第3代半导体的应用,电子器件向高功率、小型化发展,由此带来的“热”问题逐渐凸显,金刚石由于其超高的热导率及稳定的性质,被认为是最优的散热材料之一。简要介绍了微波等离子体化学气相沉积装备的原理及发展历程,对比分析了不同种类生长设备的差异,对单晶、多晶及纳米晶金刚石在器件散热应用中的现状进行总结,结合第3代半导体总结了金刚石增强散热产业化过程中将面临的性能与尺寸方面的瓶颈问题及金刚石材料“大、纯、快”的发展方向,并对散热应用的未来研究方向做出展望。     

金刚石/氧化锌透明异质结的研制

利用化学气相沉积和磁控溅射方法制备了透明金刚石薄膜／氧化锌异质结。首先,在金刚石单晶表面外延生长1层透明p型半导体金刚石薄膜,然后在金刚石薄膜上利用反应磁控溅射方法制备出n型透明氧化锌半导体薄膜;进而利用溅射、光刻等方法制备出欧姆接触电极,获得了金刚石／氧化锌透明异质pn结。该结呈现典型的二极管伏安特性曲线,开启电压为1．0V。在500～700nm波长范围内,该结的透过率达到20％。     

金刚石表面气相外延单晶金刚石薄膜新技术

用氢气、丙酮蒸汽为源气体,通过微波增强的化学气相沉积方法,实现了在金刚石表面气相外延生长单晶金刚石薄膜。并通过扫描电镜(SEM)、显微激光喇曼光谱及反射电子衍射(RED)分析,初步完成了对单晶外延金刚石薄膜的品质鉴定。从外延形貌照片中观察到了外延生长台及生长螺线。着重叙述外延生长金刚石薄膜的试验方法及其关键。     

高气压条件下MPCVD法快速制备金刚石膜

近年来研究表明,在微波等离子体化学气相沉积法(MPCVD)制备金刚石的过程中,增大反应气压和微波功率是提高金刚石生长速率的有效途径.本文采用自主改进的圆柱谐振腔式MPCVD装置,以H2-CH4为气源,在反应气压30 kPa、微波功率5.8 kW、CH4浓度不同的条件下进行了多晶金刚石膜的制备研究,并采用扫描电镜、X-射线衍射和激光拉曼光谱技术对所制备样品的表面形貌、物相及品质进行了分析.结果表明,CH4浓度由2.5％提高至5％,金刚石膜的质量较好,沉积速率由7.5μm/h提高至27.5μm/h.     

PVT法制备SiC单晶的研究进展

碳化硅（SiC）作为第三代半导体材料,具有相比于第一、二代半导体更优异的特性,在微电子、光电子等领域有着重要的应用价值。制备得到高质量、大尺寸的SiC单晶是实现其产业应用的前提。PVT法生长SiC单晶是现今的主流生长方法。总结了PVT法生长SiC单晶的四个主要影响因素的研究进展,拟在寻找未来的研究和发展方向。     

p型半导体金刚石研究现状

在普通金刚石中掺入某些杂质元素可以使其具有更为优异的物理和机械性能。掺入硼元素可以使普通金刚石具有p型半导体特性。目前,对于p型半导体金刚石膜材料研究较多,而对于高温高压下合成的p型半导体金刚石单晶体材料研究相对较少。本文介绍了p型含硼半导体金刚石膜材料及高温高压下合成掺硼金刚石单晶体材料的研究现状。由此指出具备p型半导体特性的Ⅱb型金刚石大单晶是适合硼重掺杂的首选材料。重掺硼的Ⅱb型金刚石大单晶具备大尺寸及优良的半导体特性必将大大拓宽p型半导体金刚石的应用范围。     

CVD法制备单晶金刚石的现状及研究进展

单晶金刚石因其独特结构而具有优异的物理化学性能,在许多科学技术领域具有潜在的重要应用价值,被广泛应用于工业、科技、国防、医疗卫生等众多领域。用化学气相沉积法实现高沉积速率、高质量、大面积的金刚石单晶的制备是目前研究的热点。本文对化学气相沉积法制备单晶金刚石的机理进行了分析,对比了化学气相沉积法合成金刚石的几种主要方法,总结了其优缺点,在已有研究工作和生产经验的基础上提出了合理化的建议,为单晶金刚石的产业化提供有价值的参考。     

碳纳米管水平阵列的结构控制生长：进展与展望

碳纳米管水平阵列是指生长于平整基底上且与沿基底平行排列的一种碳纳米管类型。与其他类型的碳纳米管相比,水平阵列类型的碳纳米管具有很低的结构缺陷和优异的力学、电学、热学性能,在微电子、超强纤维、航空航天等尖端领域有广阔和重要的应用前景。这些应用对碳纳米管的缺陷浓度、手性分布、半导体型纯度及阵列密度等指标的要求十分严苛,因而碳纳米管水平阵列的结构控制与批量制备是其实现性能应用的关键。在过去的近三十年中,研究者们已在碳纳米管水平阵列的结构控制生长上取得了大量进展,但同时也面临不少挑战。本文对碳纳米管水平阵列的结构控制、批量制备及前沿应用的研究进展进行了回顾,并对其面临的挑战和未来发展方向进行了讨论。     

MPCVD法制备金刚石薄膜工艺研究

金刚石作为一种碳单质,是石墨、富勒烯及碳纳米管等的同素异形体。凭借其特殊的晶体结构,具有极低摩擦系数、热膨胀系数及极高硬度、导热性能、禁带宽度、声音传播速度等物理性能。文章综述了MPCVD法制备金刚石薄膜的机理及各表征方法的原理和用途,论述了MPCVD法制备金刚石薄膜工艺的研究进展,分别分析了气压、微波功率、气体流动方式、基体温度及氮掺杂等因素对沉积金刚石薄膜质量的影响。以上工艺参数对金刚石薄膜性能具有一定影响,在生产过程中需选择最佳参数以制备出质量较好的薄膜。最后论述了金刚石薄膜在生物医学领域的应用前景及目前亟待解决的技术难题。在钛合金表面涂覆一层金刚石薄膜可赋予钛合金高硬度、耐磨蚀等性能,且其具有良好的生物相容性,在生物医学领域将具有广阔的应用市场,但由于膜层内应力较大使得金刚石薄膜与基体结合较差,这也是目前亟待解决的问题。     

MPCVD法合成单晶体金刚石的工艺探索(下)

在CVD法合成单晶体金刚石技术中,如何提高生长速率、生长质量以及单晶体体积是业界关注的焦点.文章选取5粒(100)方向的合成单晶金刚石作为种晶材料,其中包含2粒Ⅱa型CVD法合成的种晶,3粒Ⅰb型HPHT法合成的种晶,采用MPCVD法合成单晶体金刚石,获得了较理想的阶段性进展.实验参数范围是:温度为800℃～1100℃,压力为8000～11000Pa,功率为2500W.通过显微放大观察发现样品实现三维的生长模式,即在生长过程中表面积不断扩大,厚度不断增长,并在各表面留下了有明显特征的阶梯状生长纹和锥形生长丘.其中厚度最大增值为0.52mm,重量增加0.13ct.实验中首次得到了高质量透明的金刚石生长层.拉曼光谱分析表明,合成样品均存在金刚石特征的1332cm-1强峰,部分样品还伴随有少量的非金刚石相.     

MPCVD法合成单晶体金刚石的工艺探索(上)

在CVD法合成单晶体金刚石技术中,如何提高生长速率、生长质量以及单晶体体积是业界关注的焦点.选取5粒(100)方向的合成单晶金刚石作为种晶材料,其中包含2粒Ⅱa型CVD法合成的种晶,3粒Ib型HPHT法合成的种晶,采用MPCVD法合成单晶体金刚石,获得了较理想的阶段性进展.实验参数范围是:温度为800℃～1100℃,压力为8000～11000Pa,功率为2500W.通过显微放大观察发现样品实现三维的生长模式,即在生长过程中表面积不断扩大,厚度不断增长,并在各表面留下了有明显特征的阶梯状生长纹和锥形生长丘.其中厚度最大增值为0.52mm,重量增加0.13ct.实验中首次得到了高质量透明的金刚石生长层.拉曼光谱分析表明,合成样品均存在金刚石特征的1332cm-1强峰,部分样品还伴随有少量的非金刚石相.