CVD同质外延单晶金刚石的研究

发布时间：2017-07-31 01:25

  本文关键词：CVD同质外延单晶金刚石的研究

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【摘要】：本文采用微波等离子体CVD法,在单晶金刚石衬底的(100)、(110)以及(111)晶面上分别进行了同质外延单晶金刚石的研究。具体研究内容包括以下三个方面:1、在(100)晶面进行同质外延单晶金刚石研究。分析了H2/O2等离子体刻蚀的作用和机理;研究了甲烷浓度、衬底温度和沉积气压对等离子体发射光谱和金刚石生长的影响,以及CVD和HTHP这两种单晶衬底对金刚石生长的影响。结果发现:(100)晶面经过等离子体刻蚀处理后,表面呈现倒置的四面体刻蚀坑,深而大的刻蚀坑是由于该区域位错拓展范围广;衬底温度的变化不会影响等离子体基团的浓度,仅仅只是改变了金刚石生长过程的化学反应动力学过程。金刚石的生长速率随衬底温度的升高而增加,但是温度过高或者过低都会降低金刚石的质量;C2、Hβ、Hγ和CH基团的谱线强度随甲烷浓度的提高而增加,其中C2基团的谱线强度显著增加,而Hα基团的谱线强度几乎没有改变。含碳基团浓度的大幅度增加直接使得金刚石的生长速率加快,但是降低了金刚石的质量;随着气压的升高,等离子体中基团的谱线强度都随之增加,这使得金刚石的生长速率提高而质量却不降低;CVD和HTHP衬底上都能够生长无色透明的单晶金刚石,但是HTHP衬底上生长的单晶金刚石包含有几个不同的微面,且容易出现非外延结晶,CVD衬底则不存在这些问题。通过上述的研究,采用最佳生长参数,在CVD衬底上同质外延生长出了无色透明的单晶金刚石,其生长速率达到25μm/h,SEM显示表面形貌非常好,没出现非外延结晶,Raman光谱表明单晶金刚石的质量高。2、在(110)晶面进行同质外延单晶金刚石的研究。研究了甲烷浓度对(110)晶面生长速率的影响,并将其和(100)晶面作了对比分析;研究了(110)晶面同质外延的特点。结果发现:在对等生长条件下,(110)晶面生长速率高于(100)晶面,这种速率差异与不同晶面的生长模式密切相关;(110)晶面生长后呈现出四面体山丘形貌,这些四面体分别由(113)和(100)微面组成,没有出现非外延结晶。同时,Raman表明该晶面生长的金刚石质量高;在生长过程中,金刚石的宏观晶形发生了变化,四周出现了其它微面,而中心(110)晶面区域明显减小,显然(110)晶面不适合用来生长大的单晶金刚石。3、在(111)晶面进行同质外延单晶金刚石的研究。研究了甲烷浓度、衬底温度以及微小偏离(111)晶面一定角度的衬底面对金刚石生长的影响。结果发现:高衬底温度、高甲烷浓度条件下,金刚石呈现出无序的多晶生长,随着温度的降低,形貌和质量明显提高,在低衬底温度下金刚石表现出一致的单晶生长,但是表面较为粗糙,进一步降低甲烷浓度可外延生长质量高、表面平整的单晶金刚石;将部分单晶衬底面作倾斜抛光处理,获得一个偏离(111)晶面约6o的斜面。对比实验发现,微小偏离(111)晶面的斜面衬底在高衬底温度、高甲烷浓度条件下生长出质量较好的单晶金刚石,而生长速率明显提高。
【关键词】：微波等离子体 化学气相沉积 单晶金刚石 同质外延 晶面
【学位授予单位】：武汉工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ163
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第1章 绪论12-32
• 1.1 前言12
• 1.2 金刚石的晶体结构12-14
• 1.3 金刚石的性能及应用前景14-18
• 1.3.1 力学方面应用14-15
• 1.3.2 光学方面应用15-16
• 1.3.3 电子方面应用16-17
• 1.3.4 声学方面应用17
• 1.3.5 其它领域应用17-18
• 1.4 微波等离子体CVD生长金刚石18-29
• 1.4.1 CVD生长金刚石的过程18-20
• 1.4.2 微波等离子体CVD技术发展概况20-25
• 1.4.3 CVD单晶金刚石最近研究进展回顾25-29
• 1.5 选题的主要意义及研究内容29-32
• 第2章 实验装置及检测手段32-39
• 2.1 实验装置32-34
• 2.2 检测手段34-39
• 2.2.1 等离子体发射光谱35-36
• 2.2.2 激光拉曼光谱36-37
• 2.2.3 扫描电子显微镜37
• 2.2.4 X射线双晶摇摆曲线37-39
• 第3章 （100）晶面同质外延单晶金刚石的研究39-53
• 3.1 引言39
• 3.2 单晶衬底预处理39-42
• 3.2.1 单晶衬底准备39-40
• 3.2.2 单晶衬底H2/O2等离子体刻蚀分析40-42
• 3.3 生长参数对等离子体发射光谱和金刚石生长的影响42-48
• 3.3.1 衬底温度的影响42-44
• 3.3.2 甲烷浓度的影响44-46
• 3.3.3 沉积气压的影响46-48
• 3.4 种晶对同质外延单晶金刚石的影响48-50
• 3.5 高质量单晶金刚石生长实例50-51
• 3.6 本章小结51-53
• 第4章 （110）晶面同质外延单晶金刚石的研究53-59
• 4.1 引言53
• 4.2 单晶衬底H2/O2等离子体刻蚀分析53-54
• 4.3 （110）和（100）晶面同质外延单晶金刚石比较54-55
• 4.4 （110）晶面同质外延的单晶金刚石形貌和质量分析55-58
• 4.5 本章小结58-59
• 第5章 （111）晶面同质外延单晶金刚石的研究59-69
• 5.1 引言59-60
• 5.2 单晶衬底H2/O2等离子体刻蚀分析60-61
• 5.3 衬底温度和甲烷浓度对同质外延单晶金刚石的影响61-65
• 5.4 倾斜抛光衬底对同质外延单晶金刚石的影响65-67
• 5.5 本章小结67-69
• 第6章 全文总结和展望69-73
• 6.1 论文总结69-71
• 6.2 论文展望71-73
• 参考文献73-79
• 攻读硕士期间已发表的论文79-81
• 致谢81

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本文编号：596897