金刚石色心调控及光学谐振器的研究进展

金刚石因其优异的光学特性和色心发射器而被应用于光子器件领域。光学谐振器是一种微纳米光学结构,基于有限模体积内的光-物质相互作用增强,能够将金刚石色心的发射与谐振器的增强效应相结合,有选择性地增强色心的发射,用于在光子电路中提供稳定且强度充足的光学信号。近年来,金刚石微纳加工技术的发展推动了金刚石光学谐振器的研究和应用。本文总结了金刚石光学谐振器的研究现状,概述了金刚石的基本性质、合成与加工方法,介绍了金刚石色心的生成以及其与光学谐振器的耦合原理,梳理了三种不同类型的金刚石光学谐振器的研究进展,并对未来金刚石光学谐振器的发展进行了展望。     

硼掺杂对钛基金刚石薄膜附着力的影响

采用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)技术在钛基片上沉积了掺硼金刚石薄膜,并对掺杂前后的薄膜形貌及结构进行了检测.结果表明掺杂元素对形貌和结构有很大的影响,同时掺杂后薄膜与基底附着力有所下降.掠角衍射(GIXD)检测表明,中间层的主要成分是TiC和TiH_2.随着硼的加入,两者的含量增加.薄膜与基底的附着力下降的原因主要是受中间过渡层成分和残余应力增加的共同影响.     

金刚石散热衬底在GaN基功率器件中的应用进展

氮化镓(GaN)基功率器件性能的充分发挥受到沉积GaN的衬底低热导率的限制,具有高热导率的化学气相沉积(CVD)金刚石,成为GaN功率器件热扩散衬底材料的优良选择。相关学者在高导热金刚石与GaN器件结合技术方面开展了多项技术研究,主要包括低温键合技术、GaN外延层背面直接生长金刚石的衬底转移技术、单晶金刚石外延GaN技术和高导热金刚石钝化层散热技术。对GaN功率器件散热瓶颈的原因进行了详细评述,并对上述各项技术的优缺点进行了系统分析和评述,揭示了各类散热技术的热设计工艺开发和面临的技术挑战,并认为低温键合技术具有制备温度低、金刚石衬底导热性能可控的优势,但是大尺寸金刚石衬底的高精度加工和较差的界面结合强度对低温键合技术提出挑战。GaN外延层背面直接生长金刚石则具有良好的界面结合强度,但是涉及到高温、晶圆应力大、界面热阻高等技术难点。单晶金刚石外延GaN技术和高导热金刚石钝化层散热技术则分别受到单晶金刚石尺寸小、成本高和工艺不兼容的限制。因此,开发低成本大尺寸金刚石衬底,提高晶圆应力控制技术和界面结合强度,降低界面热阻,提高金刚石衬底GaN器件性能方面,将是未来金刚石与GaN器件结合技术发展的重点。     

SiNx介质薄膜制备及其对GaN表面金刚石形核生长的影响

SiNx作为GaN和金刚石异质结构的中间层，不仅是下层GaN材料的保护层，也是上层金刚石的形核生长层，因此SiNx介质薄膜对于GaN表面合成高质量金刚石具有重要的意义。研究分别采用低压化学气相沉积（LPCVD）和磁控溅射（MS）方法在GaN-Si衬底上制备SiNx介质薄膜。利用扫描电镜、傅立叶红光光谱、X射线衍射、激光拉曼等技术对SiNx薄膜的表面形貌、晶体结构和表面官能团等进行分析。结果表明，采用LPCVD镀制的非晶态SiNx介质薄膜经籽晶播种、形核生长金刚石后，金刚石/SiNx/GaN界面完整致密；采用MS制备的SiNx介质薄膜呈晶态特征，对应的界面出现明显的刻蚀坑。沉积方式会影响SiNx薄膜的晶体结构和微观形貌，高致密度的非晶态结构有利于金刚石层快速形核生长，对于构建金刚石基GaN结构更为有利。     

红外光学材料硫化锌衬底上沉积金刚石膜的研究

采用微波等离子体化学气相沉积法,在预镀陶瓷过渡层的硫化锌衬底上沉积金刚石膜。在以前的实验中,我们发现在陶瓷过渡层上沉积金刚石膜极其困难,但采用金刚石诱导形核方法后,我们已经在过渡层／硫化锌试样表面获得了很小面积（约1mm宽的环状区域）的金刚石形核。本文对前期的诱导形核工作进行了一定改进,目前已经使形核生长范围大大增加,沉积面积超过原来10倍。此外,本文对金刚石／过渡层／硫化锌试样的红外透过特性以及金刚石膜质量等进行了评价。     

热管理用3英寸硅衬底金刚石薄膜的制备

金刚石膜材料用作GaN电子器件散热器具有巨大潜力,低应力、大尺寸、高质量、原子级光滑表面的金刚石膜层是GaN器件的整体传热能力提升的关键。本研究提出了一种用于3英寸(1英寸=2.54 cm)硅衬底多晶金刚石薄膜的生长和晶圆级抛光技术,用以实现大尺寸金刚石膜材料在散热器方向上的应用。首先对微波谐振腔内的等离子体进行多物理场自洽建模,通过仿真模拟技术分析2.45GHz多模椭球谐振腔微波等离子体化学气相沉积(Microwave plasma chemical vapor deposition,MPCVD)装置沉积大尺寸金刚石薄膜的可行性,并优化生长工艺参数。然后对金刚石薄膜进行研磨抛光处理,以满足GaN器件的键合需求。模拟结果表明,输入相同的微波功率,腔室压强增大导致等离子核心电子和原子H数密度增加,但径向分布均匀性变差。在优化的工艺条件下沉积了金刚薄膜。实验结果表明,金刚石薄膜厚度不均匀性为17%。较高的甲烷浓度导致金刚石晶粒呈现以(111)晶面为主的金字塔形貌特征,并伴有孪晶的生成。Raman光谱中金刚石一阶特征峰半峰全宽(Full width at half maximum,FWHM)...     

CVD金刚石自支撑膜的研究进展

金刚石膜以其最高的硬度、热导率、热震性能以及极高的强度等优点得到了越来越多的关注。自20世纪低压化学气相沉积技术成功制备出金刚石以来,在世界范围内,金刚石的制备技术及应用研究得到了快速发展。分别对国内外自支撑金刚石膜材料的制备技术及相关应用进行简要介绍,并讨论近几年我国在高质量金刚石膜材料制备技术方面取得的进展。目前主要的制备技术有热丝、直流辅助等离子体、直流电弧等离子体喷射、微波等离子体化学气相沉积(CVD)等方法。在小尺寸、高质量金刚石膜的制备技术基础上,21世纪初,国外几大技术强国先后宣布实现了大面积、高质量CVD金刚石膜的制备,并将其用于诸如红外光学窗口等高技术领域。我国也在CVD金刚石膜研发方面不断进步,先后掌握了热丝、直流电弧等离子体喷射、直流辅助等离子体CVD等合成大面积金刚石自支撑膜技术,近几年也掌握了915 MHz微波等离子体CVD技术,这些成果也标志着我国在高质量金刚石膜制备技术领域跟上了世界先进水平。     

自支撑CVD金刚石膜光学性能与热学性能相关性研究

目的通过等离子体喷射制备不同质量CVD金刚石膜并研究其光学及热学性能,试图建立起两种性能的相互关联性。方法采用光学显微镜、X射线衍射仪、激光拉曼光谱仪、傅里叶变换红外光谱仪和NETZSCH LFA467导热仪检测CVD金刚石膜的表面形貌、晶粒尺寸、结构特征和红外光学性能、热学性能。结果金刚石自支撑膜的光学性能及热学性能密切相关,本质上取决于氮和非金刚石相的含量。当金刚石膜内氮质量分数大于0.009%时,氮含量是决定光学性能及热学性能的关键因素,且两者随着氮含量的增加呈线性衰减趋势;当氮质量分数小于0.009%时,氮的影响相对较小,晶粒尺寸成为影响金刚石膜热导率的主要因素,此时晶粒尺寸对金刚石膜红外透过率影响较小。此外,金刚石中C—H吸收与非金刚石相含量正相关,其对金刚石光学及热学性能影响规律与N杂质基本一致。结论 CVD金刚石膜的热导率和红外透过率随着金刚石膜的氮杂质含量和C—H吸收系数的降低而逐渐提高,当达到一定程度,红外透过率相对热导率的增加表现出滞后性。     

CVD金刚石膜与常用红外光学材料抗砂蚀性能对比研究

目的通过分析CVD金刚石膜与几种常用红外光学窗口材料在砂蚀过程中形貌特征以及红外透过率的变化规律,获得CVD金刚石膜在砂蚀过程中的材料去除机制及抗砂蚀性能的关键因素。方法采用喷射式冲蚀磨损系统,对CVD金刚石膜及其他几种常见红外光学材料进行砂蚀性能测试。通过扫描电子显微镜对材料冲蚀后表面形貌进行观察,电子天平测量红外材料砂蚀率。采用红外光谱仪对砂蚀前后红外光学材料进行测量,评价其冲蚀前后的红外性能变化。结果 CVD金刚石膜抗砂蚀能力远高于Ge、ZnS、MgF_2以及石英玻璃。在设定测试条件下,仅经过6 s冲蚀,除CVD金刚石膜外,其余光学材料的红外透过性能下降40%~60%。而CVD金刚石经受240 min的相同条件冲蚀,其红外透过率仅下降9.5%,显示出极佳的抗砂蚀能力。结论 CVD金刚石膜的冲蚀过程主要是微裂纹形成及扩张连接导致材料流失。其他材料的冲蚀过程既有裂纹扩展,也有反复的切削、犁削,而后者是这些材料被冲蚀的主要原因。     

自支撑金刚石膜冲蚀磨损研究

在研制的高压气动冲蚀磨损实验系统中对自支撑金刚石膜(抛光和未抛光)的冲蚀磨损进行了研究.比较了冲蚀磨料(SiO2,Al2O3,SiC和玻璃珠)、冲蚀角度、冲蚀速度,以及冲蚀时间对冲蚀磨损率的影响.利用扫描电子显微镜(SEM)观察了冲蚀磨损后金刚石膜表面形貌,对其进行了Raman光谱分析,并测定了抛光金刚石薄膜红外透过率的变化.结果表明,随冲蚀磨料硬度、冲蚀角度以及冲蚀速度的增加,自支撑金刚石膜的冲蚀磨损率增加.由于抛光和未抛光的金刚石薄膜表面形貌的差异,使得它们的冲蚀磨损率随冲蚀时间的变化过程不同.Raman光谱检测结果显示,由于冲蚀作用,金刚石膜表面部分碳的键合类型发生改变.冲蚀磨损使得抛光金刚石薄膜红外透过率降低,采用180目SiC磨料,在134 m/s的速度下冲蚀4 h,红外透过率降低约20%.