探索單晶金剛石馬賽克生長：晶種厚（hòu）度及生長前處理的深入（rù）研究

       單晶金剛石（shí）（SCD）作為一種超寬帶隙半導體（tǐ）材料，由於其大帶隙、高導熱（rè）性和（hé）高載流子（zǐ）遷移率等特殊性能，在高頻電力電子、高功率激光窗口和高能粒子探測器中顯示出巨大的應用潛力。然而，為（wéi）了與成熟的寬禁帶（dài）半導體材料（如SiC或GaN）競爭並實現實際應用，SCD薄膜必須達到英寸（cùn）級尺寸。

       目前，許多研究人員致力於（yú）使用MPCVD方法生長大型、高質量的SCD薄膜。CVD 工藝的橫向生（shēng）長率較低，這給在較小基底上獲得（dé）大型SCD薄膜帶來了挑戰。雖然（rán）已有（yǒu）商業化的10mm×10mm SCD基底麵，但與尺寸（cùn）分別達（dá）到6英寸和12英寸的碳化矽和矽晶（jīng）片相比，它們的尺寸仍然（rán）小得多。此外，大（dà）型（xíng）SCD基底麵的質量問題和高成本也進一步限製了它們的應用。因此，金剛（gāng）石功能性應用的主要障礙是缺（quē）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 薄膜的生長問題，包（bāo）括重（chóng）複生長法、三維和馬賽克生長法。其中，馬賽（sài）克生長法被認為是生長大型SCD薄膜的一種相對簡單高（gāo）效的方法。Yamada 團隊在這一領域開展了大（dà）量工作，並提出了一種 “克隆 ”技術（shù）。該技術包括從單個籽晶中獲得（dé）多個具有相似性質的籽晶，從而實現2英（yīng）寸（cùn）SCD薄（báo）膜的馬賽克生長。

       然而，馬賽克生長單晶的一個問題（tí）是，邊界很容易看到，而且馬賽（sài）克交界（jiè）處的（de）晶體質量較（jiào）低（dī）。由於馬賽（sài）克接合處存在高密（mì）度缺陷和不均勻應力，這些（xiē）馬賽克生長的SCD薄膜在後續加工（gōng）過程中也容易開裂。雖然許多（duō）研究都對籽晶取向角、基底支架結構和生長參數等因素進行了研究，但與馬賽克結處晶體結合有關的因（yīn）素和機製仍有待進一步探討。

       具體方法

       所有SCD薄膜均在（100）定向HPHT種子（3mm×3mm×1mm）上同源（yuán）生（shēng）長（zhǎng）。外延生長前，所有種子都在硫酸和硝酸（suān）的混合物中煮沸並浸泡（pào）1小（xiǎo）時，然後依次用去離（lí）子（zǐ）水、丙酮和乙醇（chún）通（tōng）過超聲清洗，以去除表麵吸附的有機雜（zá）質。

       CVD馬（mǎ）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（gōng）率（lǜ）為3kW，頻率為2.45GHz。生長前進行氫蝕刻，以去除表（biǎo）麵雜質和機械拋光劃痕，在（zài）800°C和 80torrs下20min。隨後，CVD反應在1000℃ 和120torrs下進行，以15/300sccm 的流速在CH4/H2混合氣體中進行CVD反應。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（sài）克生長，如下圖所示。經過這（zhè）種處理後，對種子進行仔細清潔，檢查增強的形態，然（rán）後返回裝置進行馬賽克生（shēng）長。

種子厚度變化和生長前處理的示意圖  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（xiǎng）時，選擇了6個除厚（hòu）度外條件完全相同的籽晶，並將其分為三組，每組2個（gè）。各組的厚度變化分別為0μm（M1）、50μm（M2）和100μm（M3）。下圖顯示了M1、M2和M3的（de）光學顯微鏡圖像。研究結果表明，M1在馬賽克交界處表現出更（gèng）優越的階梯（tī）連續性。階梯流（liú）動方向的角度很小，界（jiè）麵兩側階梯的寬度和高度緊密一致（zhì），形成了非常窄的接縫，如圖b所（suǒ）示。然而，由於晶格畸變（biàn）造成的（de）應力集（jí）中，M1在交界處（chù）形成了多晶顆粒。與M1相似（sì），M2 在接合處實現了充分（fèn）的粘合，並形成了更多的（de）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（zài）橫向生長過程中覆蓋了接合點，並（bìng）向較（jiào）薄籽晶延（yán）伸如圖d。

馬賽克連接區域的光學顯微鏡（jìng）圖像  圖源（yuán）：論文

       M3的厚（hòu）度變化可達100微米。盡管交界處兩（liǎng）側都有橫向階梯生長，但（dàn）在相同的生長條件下（xià），階（jiē）梯並不能有效地（dì）結合在一起，導致交界區域出現非（100）平麵（miàn）。厚度的（de）巨大差異被認為是碳氫化合物基團在邊緣堆積的原因，從而阻礙了有效連接。隨著生長時間的延長，碳氫基團聚集並失去（qù）穩定性，導致（zhì）從階梯流生長模式（shì）過渡到孤島生（shēng）長模式，*終形成多晶顆粒，阻礙（ài）形（xíng）成平（píng）滑（huá）的（de）鑲嵌結。因此，厚度變化較大的籽晶（jīng）（M3）無法實（shí）現有效的鑲（xiāng）嵌生長，而厚度變化較小的籽晶（M1）則更有利於形成（chéng）平滑的鑲嵌連接。

        結論

       籽晶厚度的變化會顯著影響馬賽克（kè）交界處（chù）的晶體質量。厚度變化在（zài）50μm以內時，結點相對平滑，晶體質量高，缺陷較少。然而，100μm的厚度變化會導致交界處出現明顯的多晶顆粒和應力集中，從而導致（zhì）晶體質量下降和（hé）馬賽克生（shēng）長效果（guǒ）不佳。