探索單（dān）晶（jīng）金剛石馬賽（sài）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（zuò）為一種超寬帶隙半導體材料，由於其大帶隙、高導熱性（xìng）和高載流子遷移率等特殊性能，在高頻電力電子、高功率激光窗口和高能（néng）粒子探（tàn）測器中顯示出巨大的應用潛力。然而，為（wéi）了與成熟的寬禁帶半導體材料（如SiC或（huò）GaN）競爭並實現實（shí）際應用（yòng），SCD薄膜必須達到英寸級尺寸。

       目前，許多研究人員致力於使用MPCVD方法生（shēng）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（dǐ）上獲得大型SCD薄膜帶來了挑戰（zhàn）。雖然已有商業化（huà）的（de）10mm×10mm SCD基底麵，但與尺寸（cùn）分（fèn）別達到6英寸和12英寸的碳化矽和矽晶（jīng）片相比，它們的尺寸仍然小（xiǎo）得多（duō）。此外，大型SCD基底麵的質量問題和高成本也進一步限製了它（tā）們的應（yīng）用。因此，金剛石功能性應用的主要障礙（ài）是（shì）缺（quē）乏英寸級的高質量SCD晶圓（yuán）。

       研究人員開發了多種方法來解決大型 SCD 薄（báo）膜的生長問題（tí），包括重複生長法、三維和馬賽（sài）克生長法。其（qí）中，馬賽克生長法（fǎ）被認為是生長大型SCD薄膜（mó）的一種相對簡單（dān）高效的方法。Yamada 團隊在這一領域（yù）開展了大量工作，並提出了一種 “克隆（lóng） ”技術。該技術包括從單個（gè）籽晶中獲（huò）得多個具有相似性質的籽晶，從（cóng）而（ér）實現2英寸SCD薄膜（mó）的馬賽克生長。

       然而，馬（mǎ）賽克生長單晶的（de）一個問題是，邊界很容易（yì）看到，而且馬賽克交界處的晶體質量（liàng）較低（dī）。由於馬（mǎ）賽（sài）克接合（hé）處存在高密度（dù）缺陷和不均勻應力（lì），這些馬賽克生長的SCD薄膜在後續加工（gōng）過程中也容易開裂。雖然許多研究（jiū）都對籽晶（jīng）取向角、基底支架結構和生長參數等因素進行了（le）研究，但與馬賽克結處（chù）晶體結合有關的因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）上同源生長。外延生長前，所有種子都在硫酸和硝酸的混合物中煮沸並浸泡1小時，然後依次用去離子水、丙酮和乙醇通過超聲清洗（xǐ），以去除表麵（miàn）吸附的（de）有機雜質。

       CVD馬（mǎ）賽克生長是使用（yòng）自主開發的MPCVD裝置進行的，該裝置的輸入功率為3kW，頻率為2.45GHz。生長前進行（háng）氫蝕刻，以去除表麵（miàn）雜質和（hé）機械拋光劃痕，在800°C和 80torrs下20min。隨後，CVD反應在1000℃ 和120torrs下（xià）進行，以15/300sccm 的流速在（zài）CH4/H2混（hún）合（hé）氣體中進行CVD反應。生長前處理，在850°C和100torrs下進行，CH4/H2流速為9/300sccm持（chí）續10小時，旨在改善種子表（biǎo）麵的階梯（tī）流形態，以促進逐漸生長（zhǎng）過程（chéng），實現（xiàn）馬（mǎ）賽克生長，如下圖（tú）所示。經過這種處理後，對種子進行仔（zǎi）細清潔，檢查增強的形態，然後（hòu）返回裝（zhuāng）置（zhì）進行馬賽克生長。

種子厚度變化和生長前處理的（de）示意圖  圖源：論（lùn）文

       結果討論

       在研究籽（zǐ）晶厚度變化對馬賽克生長（zhǎng）的影響時（shí），選（xuǎn）擇了6個（gè）除厚度外條件完全相同的籽晶，並將其分（fèn）為三組，每組（zǔ）2個。各組（zǔ）的厚度變（biàn）化分（fèn）別為（wéi）0μm（M1）、50μm（M2）和100μm（M3）。下圖顯示了M1、M2和M3的光學（xué）顯微鏡圖像。研究結果表明，M1在馬賽克交界（jiè）處表現出更優越的（de）階梯連續性。階梯流動方（fāng）向的角度很小，界麵兩側階（jiē）梯的寬度（dù）和高度緊密一致，形成了非常窄的接縫，如（rú）圖b所（suǒ）示。然而，由於晶格（gé）畸變（biàn）造成的應力集中，M1在交（jiāo）界（jiè）處形成了多（duō）晶顆粒。與（yǔ）M1相似，M2 在接合處實現了充分（fèn）的粘合，並形成了更多的多晶顆粒（lì）。值得注意的是（shì），由於M2的（de）厚（hòu）度變化（huà）為（wéi）50μm，較厚籽晶的外延層在橫（héng）向生長（zhǎng）過程中覆（fù）蓋了接合點（diǎn），並向較薄籽晶延伸如圖d。

馬賽克連（lián）接區（qū）域的（de）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（shēng）長，但在相同（tóng）的生長條件下，階梯並不能（néng）有效地結合在一起，導（dǎo）致交界（jiè）區（qū）域出現非（100）平麵。厚度的巨大差異被認為（wéi）是（shì）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（shí）間的延（yán）長，碳氫基團聚集並失去穩定性，導（dǎo）致從階梯流生長模（mó）式過渡到孤島生長模式，*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（ér）厚度變化較小的籽晶（M1）則更有利於形（xíng）成平滑的鑲嵌連接。

        結論

       籽晶厚（hòu）度的變化會顯著影響馬賽克交界處的晶體質量。厚度變化在（zài）50μm以內（nèi）時，結點相對平滑，晶體質（zhì）量（liàng）高，缺陷（xiàn）較少。然而，100μm的厚度變化會導致交界（jiè）處出現明顯的（de）多晶顆粒和應（yīng）力集中，從而導致（zhì）晶體質量下降和馬賽（sài）克生長效果不佳。