探索（suǒ）單晶金剛石（shí）馬賽克生長：晶種厚度及生長前處理的深入研究

       單晶金剛石（SCD）作為一種超寬帶隙半導體材料，由於其大帶隙、高導（dǎo）熱性和高載流子遷移率等特殊性能（néng），在（zài）高頻電力電（diàn）子、高功率激光窗口和（hé）高能粒子探測器中顯示出巨大的應（yīng）用潛力。然而（ér），為了與成熟的寬禁（jìn）帶半導體材料（如SiC或GaN）競爭（zhēng）並實（shí）現實際應用，SCD薄膜（mó）必須達到英寸級尺寸。

       目前（qián），許（xǔ）多研究人員（yuán）致力於（yú）使用MPCVD方法生長（zhǎng）大（dà）型、高質量的SCD薄膜。CVD 工藝的橫向生長率（lǜ）較低，這給在較（jiào）小（xiǎo）基底上獲（huò）得大型SCD薄膜帶來了挑戰（zhàn）。雖（suī）然已有商業化（huà）的10mm×10mm SCD基底麵（miàn），但與尺寸（cùn）分別達到6英寸和12英寸的碳化矽和矽晶片相比，它（tā）們的尺寸仍（réng）然小得多。此外，大（dà）型SCD基底麵的質量問題和（hé）高成本也進（jìn）一步限製了它們的應用。因此，金剛石功能性應用（yòng）的主要障礙是缺乏英寸級的高質量SCD晶圓。

       研究人員開發了多種方法來解決大型 SCD 薄膜的生長（zhǎng）問（wèn）題，包括重複生長法、三維（wéi）和馬賽克生長法。其中，馬（mǎ）賽克生長法被認（rèn）為是生長大型SCD薄膜的一種相對簡單高效的方法。Yamada 團隊在這一領域開展了大量工作，並提出了（le）一種 “克隆（lóng） ”技術。該技術包括從單個籽晶中（zhōng）獲得多個具有（yǒu）相（xiàng）似性質的籽晶，從而實現2英（yīng）寸SCD薄膜的馬（mǎ）賽克生長（zhǎng）。

       然而，馬（mǎ）賽克生長（zhǎng）單（dān）晶的一個問題是，邊（biān）界很（hěn）容易看到，而且馬賽克交界處的晶體質量（liàng）較低。由於馬賽克接合處存在高密度缺陷和不均勻應力，這（zhè）些馬賽克生長的SCD薄膜（mó）在後續加（jiā）工過程中也容易開裂。雖然許多研究都對籽晶取向角、基底支架結（jié）構和生長參數等因素進行（háng）了研究，但與馬賽（sài）克結處晶體結合有關（guān）的因素和機製（zhì）仍有待進一步探討。

       具體方法

       所（suǒ）有SCD薄膜均（jun1）在（100）定（dìng）向HPHT種子（3mm×3mm×1mm）上（shàng）同源生長。外延生長（zhǎng）前，所有（yǒu）種子都在硫酸和硝酸的混合物中煮沸並浸泡1小時，然後依（yī）次用去離子水、丙酮和乙醇通過超聲清洗，以去除表麵吸附的有機雜質（zhì）。

       CVD馬賽克生長是使用自主開發的MPCVD裝置進行的，該裝置的輸入功率（lǜ）為3kW，頻率（lǜ）為2.45GHz。生長前進行氫蝕刻，以去除表麵雜質（zhì）和機械拋光劃（huá）痕，在800°C和 80torrs下20min。隨後（hòu），CVD反應在1000℃ 和120torrs下進行，以15/300sccm 的（de）流速在CH4/H2混合氣（qì）體中進行CVD反應（yīng）。生長前處理，在850°C和100torrs下（xià）進行，CH4/H2流速為9/300sccm持續10小（xiǎo）時，旨在改善種子表（biǎo）麵的階梯流形態，以促進逐漸生長過程，實現馬（mǎ）賽克生長，如下圖所示。經過這種處理後，對種子進行仔細清潔，檢查增強的形態，然後返回裝置進行馬賽克生長。

種子厚度變化和生長前處理的（de）示意圖  圖（tú）源：論文

       結（jié）果討論

       在研究籽晶厚度變化對馬賽克生長的（de）影響時，選擇了6個（gè）除厚度外條件完全相同的籽晶（jīng），並將其分為三組，每組2個。各組的厚度（dù）變化分（fèn）別為0μm（M1）、50μm（M2）和100μm（M3）。下圖顯示了M1、M2和（hé）M3的光學顯微鏡（jìng）圖像。研究結果表明，M1在馬賽克交界處表（biǎo）現出更優越的階梯連續性（xìng）。階梯流動方向的角度很小，界麵兩側階梯的寬度和高度緊（jǐn）密一致，形成（chéng）了非常窄的接縫，如圖b所示（shì）。然而，由於晶格（gé）畸變造成的應力集中，M1在（zài）交界處形成了多晶（jīng）顆粒。與（yǔ）M1相似，M2 在接合處實現了充分的粘合，並（bìng）形成了更多的多晶顆粒。值得注意的是，由於M2的厚度變化為50μm，較厚籽晶的外延層在橫（héng）向生（shēng）長過程中覆蓋了（le）接合點，並向較薄（báo）籽晶延伸如圖d。

馬賽克連接（jiē）區域的光學顯微鏡圖像  圖源：論文

       M3的厚度變化可達（dá）100微米。盡（jìn）管交界處（chù）兩側都有橫（héng）向階梯生長，但在相同的生長條件下，階梯並不能有效地結合在一起，導致交界區域出現非（100）平麵。厚度的巨大差異被認（rèn）為是碳氫（qīng）化合物（wù）基團在邊緣（yuán）堆積（jī）的原因，從而（ér）阻礙了有效連接。隨著生長時間的延長，碳氫基團聚集並失去穩定性，導致從階梯（tī）流（liú）生長模式過渡到孤島生長模式，*終形成多晶顆粒，阻礙形成平滑（huá）的鑲嵌結。因此，厚（hòu）度變化較大的籽晶（jīng）（M3）無法實現有效（xiào）的鑲嵌生長，而厚度變化較小的籽晶（M1）則更有利於形成平滑的鑲嵌連接。

        結論（lùn）

       籽晶厚度的變（biàn）化會顯著影響馬賽克交界（jiè）處的晶體質量。厚度變化在50μm以內時，結點相對平滑，晶體質（zhì）量高，缺陷較少（shǎo）。然而，100μm的厚度變化會導（dǎo）致交界處出現（xiàn）明（míng）顯（xiǎn）的多晶顆粒和應力集中，從而導致晶體質量下降（jiàng）和馬賽克生長效（xiào）果不佳。