金刚石薄膜异质外延的研究进展

主要介绍金刚石薄膜在Si上异质外延的研究状况。综述了外延金刚石薄膜的偏压形核 ,SiC过渡层的影响及一些实验参数对外延薄膜质量的影响等 ,并论述了发展方向     

金刚石薄膜异质外延的研究状况与展望

综述了化学气相沉积异质外延金刚石薄膜机理及工艺的研究现状，分析了存在的问题，并对今后的研究进行了展望。     

蓝宝石衬底异质外延碳化硅薄膜反应机理研究

对宽禁带半导体材料碳化硅薄膜的异质外延工艺和反应机理进行了讨论，针对实验使用常压水平卧式反应室，分析了生长过程中气流流速分布、反应室内温度分布以及反应气体浓度分布，指出“汽相结晶”过程对薄膜生长区Si/C比例有很大影响，从而影响了碳化硅薄膜的生长速率，在SiC薄膜的生长过程中，对Si/C原子比例的控制一直是影响薄膜表面形貌和膜层掺杂浓度的重要因素。这很好地解释了薄膜生长过程中出现的异常现象。     

金刚石芯LED中衬底及外延材料的研究进展

金刚石作为自然界中热导性最好的材料,在半导体行业的应用越来越广泛。随着LED行业的不断发展,金刚石芯LED也崭露头角。综述了自20世纪50年代以来,金刚石材料作为衬底和外延材料在半导体光电子领域的研究进展。主要从两个方面展开论述:金刚石作为衬底外延GaN的研究进展;以及金刚石本身作为外延材料制备成p-n结、p-i-n结、异质结等半导体器件的研究进展。这些研究充分体现了金刚石材料应用在LED产品中的可行性和优越性,以及应用在大功率LED芯片中的巨大潜力。     

铱衬底上金刚石外延形核与生长:第一性原理计算

异质外延为金刚石晶圆合成提供了一个有效的实现路径,而Ir衬底上金刚石形核生长技术经过20多年的发展已经有能力制备最大直径为3.5英寸的晶体,开启了金刚石作为终极半导体在电子信息产业应用的大门。然而,表面形核、偏压技术窗口、金刚石外延生长等一系列发生在异质衬底上的问题都需要从生长热力学的角度给予解释。本研究针对化学气相沉积气氛中金刚石如何实现外延形核与生长这一关键问题,利用第一性原理计算从原子尺度对金刚石形核生长过程展开了系列探究。研究结果如下:C原子在Ir衬底表面位点吸附比在体相位点吸附更稳定,表明无偏压条件下金刚石形核只能在衬底表面发生;离子轰击作用下非晶氢化碳层中sp3杂化C原子个数随着离子动能的增加呈现先增大后减小的变化规律,证实了金刚石高密度形核存在一定的离子动能与偏压大小窗口;金刚石沿着Ir衬底外延生长时界面结合能最低(约为–0.58 eV/C),意味着界面结合能是决定外延形核生长的主要热力学因素。本研究阐明了偏压辅助离子轰击促进金刚石单晶外延生长的热力学机制,对于指导金刚石及其他碳基半导体生长具有重要意义。     

Si(111) 衬底上3C-SiC的超低压低温外延生长

研究了发展一种Si衬底上低温外延生长3C－SiC的方法。采用LPCVD生长系统，以SiH4和C2H4为气源，在超低压（30Pa) ,低温（900℃）的条件下，在Si(111衬底上外延生长出高质量的3C－SiC薄膜材料。采用俄歇能谱（AES），X射线衍射（XRD）和原子力显微镜（AFM）等分析手段研究了SiC薄膜的外延层组分，晶体结构及其表面形貌。AES结果表明薄膜中的Si/C的原子比例符合SiC的理想化学计量比，XRD结果显示了3C－SiC外延薄膜的良好晶体结构，AFM揭示了3C－SiC薄膜的良好的表面形貌。     

负衬底偏压对碳纳米管生长的影响

利用负衬底偏压增强热灯丝化学气相沉系统制备了碳纳米管，用扫描电子显微镜研究了碳纳米管的生长，结果表明碳纳米管的生长随着负衬底偏压的增大先增强，然后减弱，并且出现了部分准直的碳纳米管，分析和讨论了负衬底偏压对碳纳米管生长的影响。     

WC和Si衬底生长金刚石薄膜的研究

采用ＳＥＭ,Ｒａｍａｎ光谱等手段,较全面系统地研究了ＨＦＣＶＤ法在ＷＣ和Ｓｉ衬底上生长金刚石薄膜时,衬底预处理、碳源深度、热丝及衬底温度等对金刚石形核、生长的影响。并对两种衬底进行了对比与分析,最后总结出影响金刚石形核密度、形核速率、晶形结构及晶形完善性的关键因素。     

Si(001)衬底上方形3 C-SiC岛的LPCVD生长

Si衬底上SiC的异质外延生长深受关注,为了了解Si衬底上的成核及长大过程,采用PLCVD方法在Si(001)衬底上生长出了方形3C-SiC岛,利用Nomarski光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM）观察了SiC岛的形状,尺寸,密度和界面形貌,结果表明,3C－SiC岛生长所需的Si原子来自反应气源,衬底上的Si原子不发生迁移或外扩散,气相中C原子浓度决定了SiC岛的生长过程。     

铁基底上扩散感应的CVD金刚石成核

在硅和铁基底上同时进行ＣＶＤ 金刚石的沉积,利用硅基底上的金刚石成核感应金刚石在铁基底上直接成核。研究表明,硅和铁基底上不同的沉积过程导致了铁基底上碳原子表面扩散的加强,从而促成了ＣＶＤ 金刚石在铁基底上的直接成核。表面扩散对ＣＶＤ 金刚石成核有重要影响。     

铜基体上CVD金刚石厚膜的制备

用MWCVD方法在无预处理铜基体上获得了金刚石薄膜和厚膜。所得金刚石膜从基体上自动脱落,但形貌分析和Ramman分析表明,所得金刚石膜具有较好的质量。因此铜是制备金刚石厚膜的理想基体材料。     

HFCVD金刚石膜过程的气氛模拟与分析

对热丝法化学气相沉积金刚石膜过程的气氛进行了模拟与分析。使用GRI－Mech3.0甲烷燃烧过程C／H／O／N四元体系热化学反应机理和动力学数据，模拟并分析了HFCVD金刚石膜的C／H气相化学反应，通过对反应流的简单模拟得到了衬底位置气相组成，结果与前人实验数据吻合，探讨了灯丝温度、碳源浓度和碳源种类等因素变化对衬底位置气相组成的影响。结果表明甲基是金刚石膜生长最主要的前驱基团，其作用远高于乙炔，而超平衡态原子氢的存在对金刚石膜的质量至关重要。     

热丝法化学气相沉积金刚石系统温度分布与薄膜生长关系研究

对热丝化学气相沉积金刚石薄膜系统内的三种传热方式（传导、对流和辐射）进行了比较分析,数值计算了气相空间温度分布和衬底表面二维温度分布。采用热丝化学气相沉积工艺制备了金刚石薄膜,扫描电镜结果显示金刚石薄膜在不同生长区域呈现出与温度分布相关的微观结构与形貌。     

氮气氛下金刚石薄膜生长过程中的光发射谱研究

利用原位光发射谱对衬底附近的化学气相性质进行了研究．研究表明,氮气的引入使得金刚石生长的气相化学和表面化学性质发生了很大变化．含氮基团的萃取作用提高了金刚石表面氢原子的脱附速率,从而提高了金刚石膜的生长速率．而含氮基团的选择吸附使金刚石（１００）取向变得化学糙化,这种化学糙化使得（１００）晶面生长速率远大于其它晶面,最终使金刚石薄膜呈现（１００）织构．还利用化学气相沉积方法研究了氮气浓度对金刚石生长的影响,结果与光发射谱分析是一致的．     

纳米粉预处理的CVD金刚石薄膜成核与生长研究

研究了纳米金刚石粉预处理的光滑硅衬底上CVD金刚石薄膜的成核与生长．通过与研磨处理样品相比较,纳米金刚石的预处理极大地提高了成核密度（可达10⁹／cm²）、成核速度与成膜质量,并能方便地进行成核密度的控制,是一种经济实用、简单有效的预处理方法．     

金刚石纳米粉促进的CVD金刚石薄膜的生长行为研究

采用由普通炸药爆轰制备的金刚石纳米粉对光滑硅衬底进行了涂覆预处理,研究了金刚石薄膜经徐覆和研磨预处理的两种衬底上的生长行为及其演化过程．结果表明,纳米粉处理能在显著提高成核密度的同时,大大缩短长成连续膜所用的时间;薄膜的生长由前后相继的两个阶段所构成,即确定晶面形成前球状颗粒的成长与融合和晶面的逐渐显露与晶粒长大过程．经足够长的生长时间后,所得薄膜具有结构致密、晶面清晰、晶形完整和表面平整度高的特征,特别适合于高致密性自支持薄膜的生长．而研磨处理衬底上生长的薄膜一旦成核,便有确定晶面的显露,但却出现明显的二次成核和孪晶,所得薄膜的致密性与表面平整度均不及徐覆处理的好．文中还对结果进行了简要讨论．     

金刚石薄膜形核与长大动力学的研究

采用热丝ＣＶＤ法在半底上合成了金刚石薄膜，研究了工艺参数对金刚石形核与长大的影响规律。形核密度随甲烷深度的增加和抛光膏粒度的减小而增加，随衬底工上升而增加至极值后下降，衬底温度过低，形核密度增加但形核为球状。