基于金属催化等离子体刻蚀的MPCVD单晶金刚石生长缺陷调控

单晶金刚石作为一种性能优异的半导体材料，在功率器件、深空探测等领域具有广阔的应用前景。然而采用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法制备的单晶金刚石通常含有大量的缺陷，尤其是位错，严重限制了其电学性能的发挥。横向外延生长是半导体材料中常用的缺陷调控方法，近年也被应用于金刚石材料制备领域。本研究首先通过金属催化等离子体刻蚀在单晶金刚石籽晶上构造图形阵列，从而为同质外延单晶制备创造横向生长条件；随后通过MPCVD法在此基础上进行单晶金刚石制备，研究了横向外延生长过程并对样品进行了激光共聚焦显微镜、偏光显微镜、Raman光谱和缺陷密度测试。测试表明该方法能够稳定可控的制备图形化生长所需的阵列并降低生长层的缺陷密度。     

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。     

铁基触媒合成金刚石形成的金属包膜成分的研究

利用电子探针(EPMA)和X射线光电子能谱(XPS)研究了包围金刚石单晶的铁基金属包膜和触媒的成分分布。结果表明,在金刚石生长过程中,接近金刚石单晶的包膜内层中的碳含量是变化的,但均高于接近金刚石的触媒层。然而,与包围金刚石单晶的触媒表面相比,包膜表面碳含量低、铁含量高。分析认为,高温高压下,金刚石生长的碳源主要来自于包膜,但碳并非均匀地在包膜熔体内层向金刚石扩散。结合前期研究发现的“包膜内层无石墨和无定形碳结构”的事实分析,金刚石生长所需的碳极有可能来源于包膜内层铁碳化物的瞬间分解,结果导致包膜表面瞬间碳含量低、铁含量高。     

用掺杂N、H化合物的粉末触媒合成金刚石的研究

氮和氢元素是天然及人工合成金刚石中重要的杂质元素，对金刚石的性能有着十分重要的影响。本工作中，先利用有机氮氢化合物三聚氰胺的分解提供氮与氢源，研究了大量的氮和氢在粉末触媒合成金刚石中对金刚石生长的影响。结果表明：大量的氮和氢的存在，将严重抑制金刚石的成核。然而，用含少量的添加剂氮化物MxN的粉末触媒在国产六面顶压机上却能合成出优质金刚石单晶。利用光学显微镜观察，发现所合成的金刚石多为六八面体，晶形完整；在大多数用含添加剂氮化物的触媒合成的金刚石的晶面上有凹线出现。用扫描电镜对凹线的形貌进行了细致的观察。随着铁基粉末触媒中添加剂氮化物含量的增加，合成金刚石的压力和温度条件逐渐增高，金刚石生长的“V形区”上移。     

纳米金刚石传感器在细胞领域中应用

金刚石中的杂质不仅有颜色,而且可以通过杂质使金刚石成为磁场和温度领域的精确传感器。当杂质遇到氮原子时,金刚石晶体结构就会发生改变,一种称为氮-空位中心的就会形成。氮-空位中心里的电子与量子自旋态呈现出了惊人的一致性,而且量子自旋态可以被精确的控制操作。如果纳米金刚石内部电子的连贯性能够维持足够长的时间,这样我们不仅可以实现金刚石成为量子计算机的自旋载体材料之一,而且金刚石也会成为揭示神经细胞秘密信息的完美装置。     

高温高压Fe-Ni-C-B系中含硼金刚石单晶合成机理研究(下)

采用现代材料分析测试方法,通过对高温高压Fe-Ni-C-B系合成出的含硼金刚石单晶及其金属包覆膜进行系统分析和表征,探寻含硼金刚石合成机理及生长机制。研究发现,添加在金属触媒中的硼以金属-碳-硼化合物的形式溶入金属包覆膜,作为含硼金刚石生长的直接碳/硼源,经金属中间相的催化,析出活性碳/硼原子(团)扩散至正在生长的金刚石单晶表面,促进金刚石的生长。而含硼金刚石则以一种层状生长的方式长大,这种层状生长的台阶来源前期以二维晶核为主,后期则以位错为主。活性碳/硼原子(团)扩散到达金刚石单晶表面,在生长台阶的前端被吸附,转变成为金刚石单晶的一部分。随着台阶的不断扩展,新的生长台阶在刚长成的晶面上继续形成,含硼金刚石单晶则以层状堆叠的方式完成长大过程。     

SiC籽晶上生长AlN单晶的杂质组成及处理

采用物理气相传输法在SiC异质籽晶上制备了AlN单晶。通过Raman光谱仪、X射线衍射仪、二次离子质谱仪和X射线光电子能谱研究了AlN单晶的结晶质量和杂质成分,针对不同的杂质成分提出了相应的处理方式。结果表明:C、O为AlN单晶中的主要杂质元素,其中C元素为非故意掺杂,与AlN单晶的生长环境密切相关,随着生长晶体厚度的增加,C杂质元素的含量逐渐降低。而O元素除了源粉和生长系统中吸附氧外,还与抛光过程中形成的氧化物层有关;经腐蚀和退火处理,AlN表面氧化物的含量大幅降低,N/Al摩尔比接近1;经杂质处理后的AlN单晶片可作为同质生长的籽晶。     

高温高压条件下金刚石单晶生长界面Auger电子能谱研究

用Auger电子能谱技术分别进行金刚石单晶生长界面的金属膜表面及附近碳原子的精细Auger谱分析、金刚石单晶附近及其表面的Auger谱精细结构分析。研究结果表明，在高温高压有催化剂参与下金刚石单晶生长是双界面生长，存在两个主界面DM及M—C。高温高压条件下石墨中碳原子经过“过渡层”及“金属催化剂层”才能将碳原子的电子构形从SP^2 π态改变成SP^3态，从而以碳原子的金刚石四面体结构长到金刚石表面，金刚石晶格结构的形成是在金刚石表面层完成的。     

超纯与掺杂金刚石大单晶的高温高压合成

金刚石是集最高硬度、最高热导率、最宽透光波段、高载流子迁移率、高击穿电压等诸多优异的物理和化学性能于一体的极限性功能材料,广泛用于钻饰、工业、科技、地学、生物医学和国防等领域。金刚石根据其内部氮和硼杂质的含量及存在形式可分为Ⅰa、Ⅰb、Ⅱa和Ⅱb四种类型。在长期对金刚石合成的研究中,本课题组已在实验室成功实现了上述四类金刚石的合成,在此基础上还研制了超纯金刚石单晶,以及氢协同掺杂、硼协同掺杂、硫协同掺杂等多元协同掺杂功能金刚石单晶,使我国成为继美国、日本、英国等国之后能够人工合成多种宝石级金刚石单晶的少数国家之一。文章对所合成的Ⅰa、Ⅰb、Ⅱa和Ⅱb四类金刚石以及超纯金刚石、高氮金刚石、硼基半导体金刚石等进行了介绍,阐述了不同类型金刚石的特点及其应用价值,对合成大尺寸、高质量、具有实际应用前景的金刚石大单晶具有重要指导意义。     

关于金刚石微粉强度问题探讨

拉曼光谱通过测定金刚石微粉颗粒的晶体结构及内部缺陷和杂质含量评价微粉强度品级,是一种科学、有效、能快速检测金刚石微粉强度品级的方法.根据拉曼光谱测定金刚石微粉强度品级,研究了金刚石微粉强度与金刚石单晶原料强度、金刚石原材料的合成时间、微粉生产工艺和微粉表面处理工艺之间的关系.结果表明,金刚石微粉的强度虽然与原材料强度品...     

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。     

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.     

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。     

高强级人造金刚石合成技术研究

本文以六面顶压机合成工艺为研究对象，通过碳源及外部条件对人造金刚石单晶生长的影响，提出了优质金刚石单晶的合成工艺并论及其可行性。文章特别指出，合成优质金刚石应该有效的控制成核及生长速度，把生长控制点限制在“Ｖ”形区中小范围内研究，对生产实践有一定的指导作用。     

褐黄色IaA＋Ib型合成金刚石的光谱测试分析（上）

通过对褐黄色合成金刚石样品进行常规宝石学、红外光谱、紫外一可见光分光光度计,拉曼光谱等测试,结果表明：金刚石结构中的氮作为金刚石中的一种主要杂质,是金刚石呈现颜色的重要原因,并可用能带理论来解释,结构中的氮在金刚石呈色机制研究上有重要的意义。文章重点研究褐黄色合成金刚石的颜色成因,指出金刚石的呈色机制是一个很复杂的问题,它与金刚石中的杂质成分、色心、缺陷均有关系。     

褐黄色IaA＋Ib型合成金刚石的光谱测试分析（下）

通过对褐黄色合成金刚石样品进行常规宝石学、红外光谱、紫外—可见光分光光度计,拉曼光谱等测试,结果表明：金刚石结构中的氮作为金刚石中的一种主要杂质,是金刚石呈现颜色的重要原因,并可用能带理论来解释,结构中的氮在金刚石呈色机制研究上有重要的意义。文章重点研究褐黄色合成金刚石的颜色成因,指出金刚石的呈色机制是一个很复杂的问题,它与金刚石中的杂质成分、色心、缺陷均有关系。     

铁基触媒中铁含量对合成金刚石形貌及氮含量的影响(英文)

利用3种铁基粉末触媒,在国产六面顶压机上进行了金刚石单晶的合成实验,研究了高压高温条件下,铁基粉末触媒随铁含量的改变,石墨碳–铁基触媒体系合成金刚石条件的变化规律以及金刚石单晶的形貌,并利用红外光谱对金刚石中的含氮量进行了检测。结果表明:随着铁基粉末触媒中铁含量的增加,合成金刚石的压力和温度逐渐升高,金刚石生长的"V形区"上移,晶体的透明度变差,所合成晶体的含氮量逐渐减少。     

Ⅱa型宝石级金刚石大单晶研究最新进展

用合金触媒利用温度梯度法合成优质Ⅱ a型宝石级金刚石.研究发现,在约5.4GPa和约1300℃的条件下,除氮剂的加入使合成金刚石的温度区间变窄及金刚石晶体生长过程中更易俘获包裹体而出现熔坑,从而影响晶体的生长速度.实验解决了组装的稳定性问题;并通过调整组装,在除氮剂合适的掺入量下,使合成优质金刚石的最大生长速度达到2.16mg/h.结果实验获得了4.3mm的优质Ⅱa型金刚石大单晶.红外测试分析表明该金刚石含氮量小于10-7.     

静压法生长金刚石大单晶

设计了新的高压反应腔组装结构和相应的工艺程序,初步解决了静压法生长金刚石大单晶中存在的控制温度和压力、成核数目、生长速率等困难,从而能比较容易地在较短的生长时间里生长出尺寸较大、质量较好和数量较多的金刚石大单晶。