探（tàn）索單晶金剛石馬賽（sài）克生長：晶種厚度及生長前（qián）處理的深入研（yán）究

       單晶金剛石（SCD）作為一種超寬帶（dài）隙半導體材（cái）料，由於其大帶隙、高導熱性和高載流子遷移（yí）率等特殊性能，在高（gāo）頻電力電子、高功率激光窗口和高能粒子探測（cè）器中顯示出巨大的應用潛力。然而，為了與成熟的寬（kuān）禁帶半導體材料（liào）（如SiC或GaN）競爭並實現實際應用，SCD薄膜（mó）必須達到英寸級尺寸。

       目前（qián），許多（duō）研究人員致力於使用（yòng）MPCVD方法生長大型、高質量的SCD薄膜。CVD 工藝的橫向生長（zhǎng）率較低，這給在較小基底上獲得大型SCD薄膜帶來了挑戰。雖然（rán）已有（yǒu）商業化的10mm×10mm SCD基底麵，但與尺寸分（fèn）別達到6英寸和12英寸的碳（tàn）化矽和（hé）矽晶片相比，它（tā）們的尺寸仍然小得多（duō）。此（cǐ）外，大型SCD基底麵的質（zhì）量問題和高成本也進一步限製了它們的應用。因此（cǐ），金剛石（shí）功能性應用的主要障礙是缺乏英寸級的高質量SCD晶圓。

       研究人員（yuán）開發了多種（zhǒng）方法（fǎ）來（lái）解決大型 SCD 薄膜的生長問題，包括重複生長法、三維和馬賽克生長法（fǎ）。其中，馬賽克（kè）生長法（fǎ）被認為（wéi）是生長大型SCD薄膜的一種（zhǒng）相對簡單高效的方法。Yamada 團隊在這一（yī）領域開展了大量工作，並提出了一種 “克隆 ”技術。該技（jì）術包括從單（dān）個籽晶（jīng）中獲得多個具有相似性質的籽（zǐ）晶，從而實現2英寸SCD薄（báo）膜的馬賽克生長。

       然而，馬賽克生長單晶的一個問題是，邊界（jiè）很容易看到，而且馬（mǎ）賽克交界處的晶（jīng）體質量較低。由（yóu）於馬（mǎ）賽克接合處存在（zài）高密度缺陷和不均勻應（yīng）力，這些馬賽克生長的SCD薄膜在後續加（jiā）工過程中也容易（yì）開裂。雖然許（xǔ）多研究都對籽晶取向角（jiǎo）、基底支架結構（gòu）和生長參數等（děng）因素進行了研究，但（dàn）與（yǔ）馬賽克結處晶體結合有關的因素和機製仍有（yǒu）待進一步探討。

       具體方法（fǎ）

       所有SCD薄膜均（jun1）在（100）定向HPHT種子（zǐ）（3mm×3mm×1mm）上同源生長。外延（yán）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（shuǐ）、丙酮（tóng）和乙醇通過超聲清洗，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裝置進行的，該裝置的輸入功率為（wéi）3kW，頻率為2.45GHz。生長前進行氫蝕刻，以去除表麵雜質和機械拋光（guāng）劃（huá）痕（hén），在800°C和 80torrs下20min。隨（suí）後，CVD反應在1000℃ 和120torrs下（xià）進行，以15/300sccm 的（de）流速在（zài）CH4/H2混合氣體中進行CVD反應。生（shēng）長前處理，在850°C和100torrs下進（jìn）行，CH4/H2流速為9/300sccm持續10小時，旨在（zài）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（zhǎng）。

種子厚（hòu）度變（biàn）化和生長前處理的示（shì）意圖  圖（tú）源：論文

       結果討論

       在研究籽晶厚（hòu）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）完全相同的（de）籽晶，並將（jiāng）其分為三（sān）組，每組2個。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的光學顯微（wēi）鏡圖像。研究結果表明，M1在馬賽克交界處表現出更優越的階梯連續性。階梯流動方向（xiàng）的角度很小，界麵兩側階梯的寬度和高度緊密一致，形成了非常窄的（de）接（jiē）縫（féng），如圖b所示。然而，由於晶格畸變造成的應力集中，M1在交界處形（xíng）成了（le）多晶顆粒。與M1相似，M2 在（zài）接合處實現了充分的粘（zhān）合，並形成了更多的多晶顆（kē）粒。值得注意的（de）是，由於（yú）M2的厚（hòu）度變化為50μm，較厚籽（zǐ）晶的外延層在橫向生長過程（chéng）中覆蓋了接合點，並向較薄籽晶延伸如圖d。

馬賽克連接區域（yù）的光學顯微鏡圖像  圖源：論文

       M3的厚（hòu）度變化可達100微米。盡管交界處兩側都有橫向階梯生長，但在相同的生長條件下，階（jiē）梯（tī）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為是碳氫化合物基團在邊緣堆積的原因，從（cóng）而阻（zǔ）礙了有效連接。隨著（zhe）生長時間的（de）延長，碳氫基（jī）團聚集並（bìng）失去穩定性，導致從（cóng）階梯流（liú）生長模式過渡到孤島生長模式，*終形成多晶顆粒，阻礙形成平滑的鑲（xiāng）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，而厚度變化較小的籽晶（M1）則更有利於形成平滑的鑲嵌連接。

        結論

       籽晶厚度的變化會顯著（zhe）影響馬賽（sài）克交界處的晶體質量。厚度（dù）變化在50μm以內時，結點相對平滑，晶（jīng）體質量高，缺（quē）陷較少。然而，100μm的（de）厚度變化會導致交（jiāo）界處出現明顯的多（duō）晶顆粒和應力集中，從而導致晶（jīng）體質量下降和馬賽克生（shēng）長效果不佳。