探索單晶金剛（gāng）石馬賽克生長：晶種厚度及生長前（qián）處理的深入研究（jiū）

       單晶（jīng）金剛石（SCD）作為一種超寬帶隙半（bàn）導體材料，由於其大帶隙、高導熱性和（hé）高載流子遷移（yí）率等特殊性能，在高頻電力電子、高功率（lǜ）激光窗（chuāng）口和高能粒子探測器中顯示（shì）出巨大的應用（yòng）潛力（lì）。然而，為了與成熟（shú）的寬禁帶半導體材（cái）料（如SiC或GaN）競爭並實現實際應用，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（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（zhàn）。雖然已有商業化的10mm×10mm SCD基底麵，但與尺寸分別達到6英寸和12英寸的碳化矽和矽晶片相比，它們的尺寸仍然小得多。此（cǐ）外，大型SCD基底麵的質量問題和高成本（běn）也進一步限製了它們的應用。因此，金（jīn）剛石功能性（xìng）應用的主（zhǔ）要障礙是缺乏英寸級（jí）的高質量SCD晶圓。

       研究人員開（kāi）發了多種方（fāng）法來解決大型（xíng） SCD 薄膜的生長問（wèn）題，包括重複生長法、三維和（hé）馬賽克生長法。其中，馬賽克（kè）生（shēng）長法被認為是生長大型（xíng）SCD薄膜的一種相對簡單（dān）高效的方法。Yamada 團隊在這一領域開展了（le）大量工作（zuò），並提出了（le）一種 “克隆 ”技術。該技術包括（kuò）從單個籽晶中獲得多個具有相似性質的籽（zǐ）晶，從而實現2英寸SCD薄膜的馬賽克生長（zhǎng）。

       然（rán）而，馬賽克生長單晶的一個問題是，邊界很（hěn）容易看到，而且馬賽克交界處的晶體質量較低。由於馬賽克接合處存在高密度缺陷和不均勻應（yīng）力，這些馬賽克生長的SCD薄膜（mó）在後續加（jiā）工過程中也容易（yì）開裂。雖然許多研究都（dōu）對籽晶取向角、基底支架（jià）結構和生長參數等因素進行了研究，但與馬賽克結處晶體結合有關的因素和機製仍有待進一步探討（tǎo）。

       具體方法

       所（suǒ）有（yǒu）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（zǐ）都在硫酸和硝（xiāo）酸的混合（hé）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（guò）超聲清（qīng）洗，以去除表麵吸附的有（yǒu）機雜（zá）質。

       CVD馬賽克生長是使用自主開發的（de）MPCVD裝置進行的（de），該裝置的輸入功率（lǜ）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 的流（liú）速在CH4/H2混合（hé）氣體中進（jìn）行CVD反應。生長前處理，在850°C和100torrs下進行，CH4/H2流速為（wéi）9/300sccm持續10小時，旨在改善種子表麵的階梯流形態，以促進逐漸（jiàn）生長過程，實現馬賽克生長，如下圖所示。經過（guò）這種處（chù）理後，對種子（zǐ）進行仔細清（qīng）潔，檢查增強的（de）形態（tài），然後返（fǎn）回裝置（zhì）進行馬賽克生長。

種（zhǒng）子厚度變化和（hé）生長前處理的示意圖  圖源：論（lùn）文

       結（jié）果討論

       在研究籽晶厚度變化對馬賽克生長（zhǎng）的影響時，選擇了6個（gè）除厚度外條件完全相同（tóng）的籽晶，並將其分為三組，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的光學顯微鏡圖像（xiàng）。研究結果表明，M1在馬賽克（kè）交界處表現出更優越的階梯連續性。階梯（tī）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（chéng）了非常窄的接縫，如圖b所示。然而，由於晶（jīng）格畸（jī）變造成的應力集中，M1在交界處形成了多晶（jīng）顆粒。與M1相似，M2 在接合處實（shí）現（xiàn）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的厚度變化為50μm，較厚籽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。

馬賽克連接區域的光學顯微（wēi）鏡（jìng）圖像  圖源：論（lùn）文

       M3的厚度變化可達100微米。盡管（guǎn）交界處兩側都有橫向階梯生長，但在相同的生長條件下，階梯並不能有效地結合在（zài）一起，導致交界區域出現非（fēi）（100）平麵。厚度的巨大（dà）差異被認為是碳氫化合物基（jī）團在邊緣堆積的原因（yīn），從而阻礙了（le）有效連接。隨著生長時間的延長，碳氫基團聚集並失去穩定性，導致從階梯流生長模式過渡到孤島生長模式，*終形成（chéng）多（duō）晶顆粒，阻礙形成（chéng）平滑的鑲嵌結。因此，厚度變化（huà）較大的籽晶（M3）無法實現有效的鑲嵌生（shēng）長，而厚度變化（huà）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（hòu）度的變化會顯著影響（xiǎng）馬賽克交界處的晶體質量。厚度變化在50μm以內時，結點相對平滑，晶體（tǐ）質量高，缺陷（xiàn）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（hé）應力集中，從而（ér）導致晶體質量下降和馬賽克生長效果不佳。