单晶金刚石外延生长的缺陷研究

发布时间：2020-08-21 14:09

【摘要】：本文采用微波等离子体化学气相沉积法,研究了在单晶金刚石同质外延生长过程中种晶温度以及甲烷浓度对单晶金刚石缺陷的影响,并探索了单晶金刚石的扩大现象。具体研究包括以下三个方面:1、在含有缺陷的单晶金刚石种晶上进行同质外延生长实验,在其他沉积参数保持相同的情况下,改变单晶金刚石种晶的温度,通过SEM、等离子体发射光谱、拉曼光谱以及XRD等表征手段分析了种晶温度对单晶金刚石同质外延生长时缺陷变化的影响。结果发现:单晶金刚石的温度越高,金刚石表面的等离子体发射光谱中与C_2、H_α基团对应的谱线强度比值I(C_2)/I(H_α)越高,而电子温度越低,等离子体中粒子间的碰撞更加剧烈。单晶金刚石生长速率随温度的升高而上升。通过SEM对生长前后的单晶金刚石缺陷处进行表征发现,当种晶温度过低时,单晶金刚石表面会在同质外延生长后出现从缺陷处贯穿的裂痕;在种晶温度适中(780-820℃)的沉积条件下,单晶金刚石表面缺陷有被抑制和覆盖的趋势,缺陷面积减小;而在种晶温度过高的情况下,缺陷面积发生扩大且凸起更为明显。通过对断面的单晶金刚石进行SEM表征发现,缺陷的起源为一个金刚石表面的凸起点,该缺陷在沉积过程中不断扩大。对同质外延生长后单晶金刚石的断面及生长面进行Raman测试,结果显示在较低与较高种晶温度下生长的单晶金刚石质量较差,金刚石特征峰会逐渐向低波数偏移,呈张应力增大的趋势;而在种晶温度适中下生长的单晶金刚石质量较好,金刚石特征峰偏移小,呈现的应力较小。通过XRD测试表征也发现在种晶温度适中下生长的单晶金刚石半高宽低,质量相对较好。最后在无缺陷的单晶金刚石种晶上使用适中的种晶温度同质外延生长,可以获得透明度高且表面光滑的单晶金刚石。2、在对含有缺陷的单晶金刚石分别用不同的甲烷浓度进行同质外延生长的过程中,通过发射光谱发现随着甲烷浓度的增加,金刚石表面的等离子体发射光谱中与C_2、H_α基团对应的谱线强度比值I(C_2)/I(H_α)越高,而电子温度增高,等离子体内粒子间的碰撞剧烈程度减弱。而通过SEM以及金相显微镜等表征方法发现,除在4%的甲烷浓度下缺陷面积未扩大,其他甲烷浓度下缺陷面积与缺陷凸起程度都有明显增加。而通过拉曼光谱表征观察到,随甲烷浓度增加,金刚石特征峰向低波数方向偏移,张应力呈增大趋势,且非晶碳峰也随之增强,反映出甲烷浓度越高,单晶金刚石质量越差。结合测试表征的结果认为,甲烷浓度增大不利于抑制单晶金刚石中缺陷的生长,而低甲烷浓度有利于抑制缺陷扩大,低甲烷浓度可以保证单晶金刚石的生长质量,但生长速率较慢。3、研究了单晶金刚石的二维扩大。利用优化的单晶金刚石外延生长条件,通过对单晶金刚石生长面进行生长前的倒角处理和衬底托结构设计,在7×7×0.55mm~3的种晶上实现单晶金刚石的二维扩大生长获得厚度为1.5mm,尺寸为8.6×8.6mm~2的单晶金刚石,生长速率达到20μm/h。分析表明通过对单晶金刚石四个边进行倒角处理可以使得倒角处温度与生长面温度相近,避免边缘处因沉积温度高而出现多晶生长。单晶金刚石种晶面略高于衬底托表面(0.1mm),有利于等离子体在单晶金刚石种晶表面均匀集聚,有利于侧向扩大生长,在此基础上提出对了单晶金刚石的二维扩大方法。
【学位授予单位】：武汉工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O77;TQ163

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本文编号：2799475