探索單晶金剛（gāng）石馬賽克生長（zhǎng）：晶種（zhǒng）厚度及生長前處理的深入（rù）研究

       單晶金剛石（SCD）作為一種超寬帶隙半導體材料，由於其（qí）大帶（dài）隙、高導（dǎo）熱性和高載流子（zǐ）遷移率等特殊性能，在高頻電力電子、高（gāo）功率激光窗口和高能（néng）粒子（zǐ）探測器中顯示出（chū）巨大的應用潛力。然而，為了與成熟的寬禁帶半導體材料（liào）（如SiC或GaN）競爭並實現實際應（yīng）用，SCD薄膜必須達到英寸級尺寸。

       目前，許多研（yán）究人員致力於使用MPCVD方法（fǎ）生長大型、高質量的SCD薄膜。CVD 工藝的橫向生長率較低（dī），這給（gěi）在較小基底上獲得大型SCD薄膜帶來了挑（tiāo）戰。雖然已有商業化的10mm×10mm SCD基底麵，但與尺寸分（fèn）別達到6英寸和12英寸（cùn）的碳化矽和矽晶（jīng）片相比，它們的尺寸（cùn）仍然小得多。此外，大型SCD基（jī）底麵的質量問題和（hé）高成本也進一步限製了它們的（de）應用。因此，金剛石功能性應用的（de）主要障礙是缺乏英寸級的高質量SCD晶圓。

       研究人員開（kāi）發了多種方法來解決大（dà）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（zhōng），馬賽克生長法被認為是生長大型SCD薄膜的一種相對（duì）簡單（dān）高效的（de）方法。Yamada 團隊在這一領域開展了大量工作，並提出了（le）一種 “克隆 ”技術。該技術包括（kuò）從單（dān）個籽晶中獲得多（duō）個具有相似性質的籽晶，從而實現2英寸SCD薄膜的（de）馬賽克生長（zhǎng）。

       然而，馬賽克（kè）生長單晶的一個問題是，邊界（jiè）很容易看到，而且馬賽克交界處的晶體質量較低。由於馬賽克接（jiē）合處存在高密度缺陷和不均勻應力，這些（xiē）馬賽（sài）克生長的SCD薄膜在後續加工過程中也容易開裂（liè）。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素進行了研究，但與（yǔ）馬賽克（kè）結處晶體結合（hé）有關的因素和機製仍（réng）有待進一步（bù）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（shēng）長。外延生長前，所有種子都在硫（liú）酸和硝酸的混（hún）合物中煮沸並浸泡1小時，然後依次用去離子水、丙（bǐng）酮和乙醇通過超聲清洗，以去除表麵吸（xī）附的有機雜質。

       CVD馬（mǎ）賽克生長（zhǎng）是使用自主開（kāi）發的MPCVD裝置進行的，該裝置的輸入功率為3kW，頻率（lǜ）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（hòu），CVD反應在1000℃ 和120torrs下進行，以15/300sccm 的流速在CH4/H2混合氣（qì）體中進行CVD反應（yīng）。生長前處理，在850°C和100torrs下進行，CH4/H2流速為9/300sccm持續10小時，旨在改善種子表麵的階梯流形態，以促進（jìn）逐漸（jiàn）生（shēng）長過（guò）程，實現馬賽克（kè）生長，如下圖（tú）所示。經過這種處理後，對種子進（jìn）行仔細清潔，檢查增強的形態，然後返回裝置進行（háng）馬賽克生長。

種子厚度變化和生長前處（chù）理的示意圖  圖源（yuán）：論文（wén）

       結果討（tǎo）論

       在研究籽晶厚度變化（huà）對馬賽克生長的影（yǐng）響時，選擇了6個除厚度外條件完全相同的籽晶，並將其分為三組，每組2個。各組的厚度變化分（fèn）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（xiàng）。研究結果表明，M1在馬賽克交（jiāo）界處表現出（chū）更優越的階梯連續性。階梯流動方向的角度很小，界麵兩側階梯的寬度和高度緊密一致，形成了（le）非常窄的接縫，如（rú）圖b所示。然而，由於晶格畸變造成的應力集中，M1在交界（jiè）處形成了多晶顆粒。與M1相似，M2 在接合處實現了充分的粘合，並形成了更（gèng）多的多晶（jīng）顆粒。值得注意的是，由於M2的厚度（dù）變（biàn）化為50μm，較（jiào）厚籽晶的外延層在（zài）橫向生長過程中覆蓋了接合點，並向較薄籽晶（jīng）延伸如圖d。

馬賽克連接（jiē）區域的光（guāng）學顯微鏡圖像  圖源：論文

       M3的厚度變化可達100微米。盡管（guǎn）交（jiāo）界處兩側（cè）都（dōu）有（yǒu）橫向（xiàng）階梯生（shēng）長，但（dàn）在相同的生長條件下，階梯並（bìng）不（bú）能有效地結合在一起，導致交界區域（yù）出現非（100）平（píng）麵。厚度（dù）的巨大差異被認為是碳（tàn）氫化（huà）合物（wù）基團在邊緣堆積的原因，從而（ér）阻礙了有效連接。隨著生長時間（jiān）的延長，碳氫基團（tuán）聚集並失去穩定性，導致從階梯流生（shēng）長（zhǎng）模式過渡到孤島生長模式，*終（zhōng）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，而厚度變化較小的籽晶（M1）則更（gèng）有利於形成平滑的鑲（xiāng）嵌連接。

        結論

       籽晶厚度的變化會顯著影響（xiǎng）馬賽克（kè）交界處的晶體質（zhì）量。厚度變化（huà）在50μm以內（nèi）時，結點相對平（píng）滑，晶體質量高，缺（quē）陷較少。然而，100μm的厚度變化會導（dǎo）致交界處出現明顯的多晶顆粒和應力集中，從而導（dǎo）致晶體質量下降和馬賽克生（shēng）長效果不佳。