探索單晶金剛石馬賽克（kè）生長：晶種厚度及生長前處理的深入研（yán）究

       單晶金剛石（SCD）作（zuò）為一種超（chāo）寬帶隙半導體材料，由於其大（dà）帶隙、高導熱性和高載流子遷移率等特殊性能，在高頻電力電子、高功率激光窗口（kǒu）和高能粒子探測器中顯示出巨大的應用潛力。然而，為了與成熟的寬禁帶半導體材料（如SiC或GaN）競（jìng）爭並實現實際應用，SCD薄膜必須達到英寸級尺寸（cùn）。

       目（mù）前，許多研究人員致力（lì）於使用（yòng）MPCVD方法生（shēng）長大型、高質量的SCD薄膜。CVD 工（gōng）藝的橫向生長率較低，這給在較小基底上獲得大型SCD薄膜帶來（lái）了挑戰（zhàn）。雖然已有商業化的10mm×10mm SCD基底麵，但與尺（chǐ）寸分別達到6英（yīng）寸和12英（yīng）寸的碳化（huà）矽和矽晶片相比，它（tā）們的尺寸仍然小得多。此外，大型SCD基底麵的質量問題和（hé）高成本也進一步限製了（le）它（tā）們的應用。因此，金剛石功能性應用的主要障礙是缺乏英寸級的高質量（liàng）SCD晶圓（yuán）。

       研究（jiū）人員（yuán）開發了多種方法來解決大型 SCD 薄膜的生長（zhǎng）問題，包括重（chóng）複生長法、三維和馬賽克生長法。其中，馬賽克生長（zhǎng）法被認為是（shì）生長大型SCD薄膜的一種相對簡單高效（xiào）的（de）方法。Yamada 團隊在這一領域開展了大量（liàng）工作，並提（tí）出了一種 “克隆 ”技術。該技術包括從（cóng）單個籽晶中（zhōng）獲得多個具有相似性質的（de）籽晶，從而實現2英寸SCD薄膜的馬賽克生長（zhǎng）。

       然而，馬賽克生長單晶的一個問題（tí）是，邊界（jiè）很容易看到（dào），而且馬賽克交界處的晶體質量較低。由（yóu）於馬（mǎ）賽克接合處（chù）存在高密度缺陷和不（bú）均勻（yún）應力，這些馬賽克生長（zhǎng）的SCD薄膜（mó）在後續加工（gōng）過程中也容易（yì）開裂。雖然許多研究都（dōu）對籽晶取向角、基底支架結構和生長參數等因（yīn）素進行了研（yán）究，但與馬賽克結處晶體結合有關的（de）因素和機（jī）製仍（réng）有待進一步探討。

       具體方（fāng）法

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

       CVD馬賽克生長是使（shǐ）用自主開發的MPCVD裝置進行的，該裝置的輸入功率為3kW，頻率為（wéi）2.45GHz。生長前進行氫蝕刻，以去除表麵雜質和機械拋（pāo）光（guāng）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（fǎn）應。生長前處理，在850°C和100torrs下進（jìn）行，CH4/H2流速為9/300sccm持續10小（xiǎo）時，旨在改善種（zhǒng）子表麵的階梯流（liú）形態（tài），以促進逐漸生長過程，實現馬賽克生長，如（rú）下圖所示。經過這種處理後，對種子進行仔（zǎi）細清（qīng）潔，檢查增強的形態，然後返回裝置進行馬（mǎ）賽克生長。

種子厚度變化（huà）和生長前（qián）處理（lǐ）的示意圖  圖源（yuán）：論文（wén）

       結果（guǒ）討論

       在（zài）研究籽（zǐ）晶厚度變化對馬賽克生長的影響時，選擇了6個除厚度外條件（jiàn）完全相同（tóng）的籽晶，並（bìng）將其分為三組，每組（zǔ）2個。各（gè）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的光學顯微鏡圖像。研究（jiū）結果表明，M1在馬賽克交（jiāo）界處表現出更優越的階梯連續性。階梯流動方（fāng）向的角度很小，界麵兩（liǎng）側階梯的寬度和高度緊密一致，形成了（le）非常（cháng）窄的接縫，如圖b所示。然而，由於（yú）晶格畸變造成（chéng）的應力集（jí）中（zhōng），M1在交界處形成了多晶（jīng）顆粒（lì）。與M1相似，M2 在接合處實現了充分的粘合，並形成了更多的多晶顆粒。值得注意的是，由於M2的厚度變（biàn）化為50μm，較厚籽晶的外延層（céng）在橫向生長過程中覆蓋（gài）了接合點，並向較薄（báo）籽晶延（yán）伸如圖d。

馬賽克連接區域的光學顯微鏡圖像  圖源：論文

       M3的厚度變化可達100微米。盡管交界處兩側都有橫向階梯生長，但（dàn）在相同的生長條件下，階梯並不（bú）能有效地結合在（zài）一起，導（dǎo）致交界區域出現非（100）平麵。厚度（dù）的巨大（dà）差異被認（rèn）為是（shì）碳氫化合物基團（tuán）在邊緣堆積的原因，從而阻礙了有效連接。隨著生長時間（jiān）的延長，碳氫基（jī）團聚（jù）集並失去穩定性，導致從階梯流生長模式過（guò）渡到孤島（dǎo）生長模式，*終形成多晶顆粒，阻礙形成平滑的鑲嵌結（jié）。因此，厚度變化較（jiào）大的籽晶（M3）無法實現有效的鑲嵌生（shēng）長，而厚度變化較小的籽（zǐ）晶（M1）則更有利於形成平滑的鑲嵌連（lián）接。

        結論

       籽晶厚度（dù）的變化會顯著（zhe）影響馬（mǎ）賽克交界處的晶體質量（liàng）。厚度變化在50μm以內時，結點相對（duì）平滑，晶體質量高，缺（quē）陷較少。然而，100μm的厚度（dù）變化會導致交界處出現明顯的多晶顆粒和應力集中，從而導致晶體（tǐ）質量下降和馬賽克生長效（xiào）果不佳。