探索單晶金剛石馬賽克生長：晶種厚度及生長前處理的深入研究（jiū）

       單晶（jīng）金（jīn）剛石（SCD）作（zuò）為一（yī）種超寬帶（dài）隙半導體材料，由於其大帶隙、高（gāo）導熱性和（hé）高載流子遷移率等特殊性能（néng），在高頻（pín）電力電（diàn）子、高（gāo）功率（lǜ）激光窗口和高能粒子探測器（qì）中顯示出巨大的應用潛力。然而，為了與成熟的寬（kuān）禁帶半導（dǎo）體（tǐ）材料（如SiC或GaN）競爭並實現實際應用，SCD薄（báo）膜（mó）必須達到英寸級尺寸。

       目前，許多研究人員致力於使用MPCVD方（fāng）法生長（zhǎng）大型、高質量的SCD薄膜。CVD 工藝的橫向生長率較低，這（zhè）給在較（jiào）小基底上獲得大型SCD薄膜帶來了挑戰。雖（suī）然已有商業化的10mm×10mm SCD基（jī）底麵，但與（yǔ）尺寸分別達到6英寸（cùn）和12英寸的（de）碳化矽和矽晶片相比，它們的尺寸仍然小得多。此外，大（dà）型SCD基底麵的（de）質量問題和高成本也進一步（bù）限製了它們的應用（yòng）。因此（cǐ），金剛（gāng）石功能性應用的主要障（zhàng）礙是缺乏英寸級的高質量SCD晶圓。

       研究人員開（kāi）發了多種方法來解決（jué）大型 SCD 薄膜（mó）的生長問題（tí），包括重複生長法（fǎ）、三維和（hé）馬賽克生長法。其中，馬（mǎ）賽克生長法被認為是生長大型SCD薄膜的一種相對簡單高效的方法。Yamada 團隊在這（zhè）一領域開展（zhǎn）了大量（liàng）工作，並提出了一種 “克隆 ”技術。該技術包括從單個籽（zǐ）晶中獲得多個具有相似性質的籽（zǐ）晶，從（cóng）而實現2英寸SCD薄膜的馬（mǎ）賽克生長。

       然（rán）而（ér），馬賽克生長（zhǎng）單晶（jīng）的一個問（wèn）題是，邊界很容易看到，而且馬賽克交（jiāo）界處的晶體質量較低。由於馬賽克接合（hé）處存在高密度缺陷和不均勻應力，這些馬賽克生長的SCD薄膜在後續加工過程中也容易開裂。雖然許多研究都對籽晶取向角、基底支架結構和生長（zhǎng）參數等（děng）因素進行了研究，但與馬賽克結處晶體結合有關的因素和機製仍（réng）有待（dài）進（jìn）一步探討。

       具體方法

       所有SCD薄膜均在（100）定向HPHT種子（3mm×3mm×1mm）上同源生長。外延生（shēng）長前，所有種子都在硫酸和（hé）硝（xiāo）酸的混（hún）合物中煮沸並浸（jìn）泡1小時，然後依次用去離子水、丙酮和乙醇通（tōng）過超聲清（qīng）洗，以去除表麵吸附的有機雜質。

       CVD馬賽克生長是使用自主開發的MPCVD裝（zhuāng）置進行的，該裝置的輸（shū）入功率（lǜ）為3kW，頻率為（wéi）2.45GHz。生長前進行氫蝕（shí）刻，以去（qù）除表麵雜質和機械（xiè）拋光（guāng）劃痕（hén），在800°C和（hé） 80torrs下20min。隨後，CVD反應（yīng）在1000℃ 和120torrs下進行，以15/300sccm 的流速在CH4/H2混（hún）合氣體中（zhōng）進行CVD反應。生長前處理，在850°C和100torrs下進行，CH4/H2流速為9/300sccm持續10小時（shí），旨在改善種子表麵的階梯流形態，以促進逐漸生長過程，實現馬賽克生長，如下圖所示。經過這種處（chù）理後，對種子進行仔細清潔，檢查增（zēng）強的形態，然後返回裝（zhuāng）置進行馬賽克生（shēng）長。

種子（zǐ）厚度變化和生長前處理的示意（yì）圖  圖源：論文

       結果討論

       在研究籽晶厚度變化對馬賽克生長的影響時（shí），選擇了6個除厚度外條件完全相同的籽晶，並將其分為三組，每組2個。各組（zǔ）的厚度變化分別為0μm（M1）、50μm（M2）和100μm（M3）。下圖顯示了（le）M1、M2和M3的（de）光學顯微鏡圖像。研究結果（guǒ）表明，M1在馬賽克交界處（chù）表現出更優越的階梯連（lián）續（xù）性。階梯流動（dòng）方向的角度很小（xiǎo），界麵兩側階梯（tī）的寬（kuān）度和高度緊（jǐn）密一致，形成（chéng）了非常窄的接縫，如圖b所示。然（rán）而，由於晶格畸變造成的應力集中，M1在交界處形成了多晶顆粒（lì）。與M1相似，M2 在接合處實現了充分（fèn）的粘合，並形成（chéng）了更多的多晶顆粒。值得注意的（de）是，由於M2的厚度變化為（wéi）50μm，較厚籽（zǐ）晶的（de）外延（yán）層在橫向生長過程中覆蓋了（le）接合點，並向較薄籽晶延（yán）伸如（rú）圖d。

馬賽克（kè）連接區（qū）域的光學顯微鏡圖像  圖源：論文

       M3的厚度（dù）變化可（kě）達100微米。盡管交界處兩（liǎng）側都（dōu）有（yǒu）橫向階梯生長，但（dàn）在相同的生長條件下，階（jiē）梯並不能有效地結合在一起，導致交界區域出（chū）現非（100）平麵。厚度的巨大差異被認為是碳氫化合物基團在（zài）邊緣堆積的原因（yīn），從（cóng）而阻礙（ài）了有效連接。隨著生（shēng）長時間的（de）延長，碳氫基（jī）團聚集並失去穩定（dìng）性，導致從階梯流（liú）生長模式過渡到孤（gū）島生長模式，*終形成多晶顆粒，阻礙形成平滑的鑲嵌結。因此，厚度變化較大的籽晶（M3）無法實現有效的鑲嵌生長，而厚度變化（huà）較小的籽晶（M1）則更有利於形成平滑的（de）鑲嵌連接。

        結論

       籽晶厚度的變化會顯著影響馬賽克交（jiāo）界處的晶（jīng）體質量。厚度變化在50μm以內時，結點相對平滑，晶體質量高，缺陷較少。然而，100μm的厚（hòu）度（dù）變化會導致交界處出現（xiàn）明顯的多晶顆（kē）粒和（hé）應力集中，從（cóng）而導致晶體質量下（xià）降和（hé）馬賽（sài）克生長效果不佳。