探索單（dān）晶金（jīn）剛石馬賽克生（shēng）長：晶（jīng）種（zhǒng）厚度及生長前處理的深入（rù）研究

       單晶金剛石（shí）（SCD）作（zuò）為一種超寬帶隙半（bàn）導體材料，由於（yú）其大帶隙、高導熱性和高載流子遷移（yí）率等特殊（shū）性能，在高頻電力電子、高功率激光窗口和（hé）高能粒（lì）子探測（cè）器中顯示出巨大的應用潛力。然而，為了與亚洲精品乱码久久久久久蜜桃91熟（shú）的寬禁帶半導體材料（如SiC或GaN）競爭並實現（xiàn）實際應用，SCD薄膜必須達到英寸級尺寸。

       目前，許多研究人員（yuán）致力於使用MPCVD方法生長大型（xíng）、高質量的SCD薄膜。CVD 工藝的（de）橫向生長率較（jiào）低，這給在較小基底上獲得大型SCD薄膜帶來了（le）挑戰。雖然已（yǐ）有商業化的10mm×10mm SCD基底麵（miàn），但與（yǔ）尺寸分別達到6英寸和12英寸的碳化矽和矽（guī）晶片相比，它們的尺寸仍然小得多。此外，大型（xíng）SCD基底麵的質量（liàng）問題和高（gāo）亚洲精品乱码久久久久久蜜桃91本也進一步限製了它們的應用。因（yīn）此，金剛石功能性應（yīng）用的主要障礙是缺乏英寸級的高（gāo）質量（liàng）SCD晶（jīng）圓。

       研究人（rén）員開發了多種方法來解決大型（xíng） SCD 薄（báo）膜的生長問題，包（bāo）括重複生長法、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（dà）型SCD薄膜的一種相對簡單（dān）高效（xiào）的方法。Yamada 團隊在這一領域開展了大量工作，並提（tí）出了一種 “克隆 ”技術。該技術包括（kuò）從單個籽晶中獲（huò）得多個具（jù）有相似（sì）性（xìng）質（zhì）的籽晶，從（cóng）而（ér）實現2英寸SCD薄膜的馬賽克生長。

       然而，馬賽克生長單晶的一個問題是，邊界很容易（yì）看到，而（ér）且馬賽克交界處的晶體質量較低。由於馬賽克接合處存在（zài）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（zhōng）也容易開裂。雖然許多研究都對籽晶取向角、基底支架結構（gòu）和生長參數（shù）等因素進行了研究，但與馬賽（sài）克結處晶體結合有關的因素和機（jī）製仍有待進一步探討。

       具體方法（fǎ）

       所有SCD薄膜（mó）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（hé）硝酸的混合物中煮沸並（bìng）浸泡1小（xiǎo）時，然後依次用去離子水、丙酮和乙醇（chún）通過超聲清洗，以去除表麵吸（xī）附的有機雜質。

       CVD馬賽克生長是使用自主（zhǔ）開發的MPCVD裝置進行的，該裝置的輸入功（gōng）率為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劃痕，在800°C和 80torrs下20min。隨後，CVD反應在1000℃ 和120torrs下進行，以15/300sccm 的（de）流速在CH4/H2混合氣體中（zhōng）進行CVD反應。生（shēng）長前處（chù）理，在850°C和100torrs下進行，CH4/H2流速為（wéi）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（shì）。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（fǎn）回裝置進行馬賽克生長。

種（zhǒng）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時，選擇了6個除厚度外條件完全相同的籽晶，並將其分（fèn）為三組，每組2個。各（gè）組的厚度（dù）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。研究結果（guǒ）表明，M1在（zài）馬賽克交界處表現出更（gèng）優越的（de）階梯連（lián）續性。階梯流動方向的角度很小，界麵兩側階梯的寬度和高度（dù）緊密一致，形亚洲精品乱码久久久久久蜜桃91了非常窄的接縫，如圖b所示。然而，由於晶格畸變造亚洲精品乱码久久久久久蜜桃91的應力集（jí）中，M1在交（jiāo）界處形亚洲精品乱码久久久久久蜜桃91了多晶顆粒。與M1相似，M2 在接合處實現了充分的粘合，並形亚洲精品乱码久久久久久蜜桃91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，較厚籽晶的外延層在橫向生長過程中覆蓋了接合（hé）點，並向較薄籽晶延伸如圖d。

馬賽克連接（jiē）區域的光學顯微鏡圖像  圖源：論文（wén）

       M3的厚度變（biàn）化可達100微米。盡管交界處兩側都有橫向（xiàng）階梯生長，但（dàn）在相同的生長條件下，階梯並（bìng）不能有效地結合在一起，導（dǎo）致交界區域出現（xiàn）非（100）平麵。厚度的巨大差異被認為（wéi）是碳氫化合物基團在邊緣堆積的原因，從而阻礙了（le）有效連接。隨（suí）著生長（zhǎng）時間的延長，碳氫基團聚（jù）集並失去穩定性，導致從階梯流生長模式過渡到孤島生長模式，*終形亚洲精品乱码久久久久久蜜桃91多晶顆粒，阻礙（ài）形亚洲精品乱码久久久久久蜜桃91平滑的鑲嵌結。因此，厚度變化較大的（de）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）則更有利於形亚洲精品乱码久久久久久蜜桃91平（píng）滑的鑲（xiāng）嵌連接。

        結論

       籽晶（jīng）厚度的變化會顯著影響馬賽克交界處的晶體質量（liàng）。厚度變化在50μm以內時，結點（diǎn）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（jí）中，從而導致（zhì）晶體質量下降和馬（mǎ）賽克生長效果不佳。