CN112813497A - 一种通过异质外延保护环辅助单晶金刚石生长的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自适应协同外延生长单晶金刚石辅助环，用于设置在单晶金刚石衬底外围一周，为异质外延结构，包括：自下而上逐层分布的非金刚石衬底、异质外延形核缓冲层和单晶金刚石形核层；单晶金刚石形核层的晶向与待生长的单晶金刚石面的晶向一致。利用金刚石辅助环与同质外延单晶金刚石协同生长，提高同质外延单晶金刚石生长质量。

Description

一种通过异质外延保护环辅助单晶金刚石生长的方法
【技术领域】
本发明属于单晶金刚石技术领域，尤其涉及一种通过异质外延保护环辅助单晶金刚石生长的方法。
【背景技术】
单晶金刚石具有大的禁带宽度，大的击穿场强，高的热导率，高的载流子迁移率，低的介电常数以及良好的机械性能，这使得单晶金刚石成为理想的半导体材料，其也被称为终极半导体材料。高质量的单晶金刚石主要通过化学气相沉积的方法由单晶金刚石衬底同质外延生长来制备。然而同质外延生长金刚石的过程中会出现衬底边沿等离子体富集，造成温度均匀，影响晶体质量，甚至会产生多晶。传统的做法是在单晶金刚石衬底周围增加金属保护条，用来平衡等离子体密度。但是这样同样会造成在金属上也会生长出金刚石多晶。多晶的生长方式以及生长速率与单晶不同，导致多晶会向单晶蔓延并且多晶表面会高于单晶表面，造成CVD生长的单晶金刚石生长受到影响，晶体质量下降，如图5所示。故CVD同质外延生长金刚石不能长时间外延生长，限制了单晶金刚石的应用。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种自适应协同外延生长单晶金刚石辅助环，利用单晶金刚石异质外延技术，制备出环形结构的异质外延金刚石衬底，与同质外延单晶金刚石协同生长，提高同质外延单晶金刚石生长质量。
本发明采用以下技术方案：一种同质外延生长辅助环，用于设置在单晶金刚石衬底外围一周，为异质外延结构，包括：自下而上逐层分布的非金刚石衬底、异质外延形核缓冲层和单晶金刚石形核层；单晶金刚石形核层的晶向与待生长的单晶金刚石面的晶向一致。
进一步地，该非金刚石衬底选用单晶材料，为Si、SiO2、SrTiO3、MgO或Al2O3。
进一步地，该辅助环为长方形框架或正方形框架。
本发明还公开了上述的一种同质外延生长辅助环的制备方法，该制备方法如下：
步骤一、在非金刚石衬底上制备异质外延形核缓冲层；
步骤二、在步骤一中的异质外延形核缓冲层上制备单晶金刚石形核层；
步骤三、将步骤二中的带有单晶金刚石形核层的衬底切割成多个条状体，多个条状体用于围绕在单晶金刚石衬底外围一周，且各条状体依次首尾贴合，形成生长辅助环。
本发明还公开了一种通过异质外延保护环辅助单晶金刚石生长的方法，该方法如下：
步骤一、在非金刚石衬底上制备异质外延形核缓冲层；
步骤二、在步骤一中的异质外延形核缓冲层上制备单晶金刚石形核层；
步骤三、将步骤二中的带有单晶金刚石形核层的衬底切割成多个条状体；
步骤四、将多个条状体围绕在单晶金刚石衬底外围一周，多个条状体依次首尾贴合，形成生长辅助环；
步骤五、在CVD中，生长辅助环和单晶金刚石衬底同步外延生长，得到同质外延生长的金刚石膜。
进一步地，该生长辅助环的厚度与单晶金刚石衬底的厚度相同。
本发明的有益效果是：1.在CVD生长中，辅助生长环可以使等离子体更均匀的作用在需要生长的单晶金刚石衬底上，避免单晶金刚石边沿温度不均匀造成的生长缺陷。
2、自适应协同同质外延单晶金刚石生长的异质外延辅助生长环，其上表面具有单晶金刚石籽晶，可与需要生长的单晶金刚石衬底一同生长。由于两者生长条件相同，异质外延单晶金刚石与同质外延生长的单晶金刚石具有相似的生长速率，故异质外延辅助生长环的厚度可以自适应单晶金刚石的厚度，可长时间协同保护单晶金刚石生长。
3、辅助生长环，采用非金属衬底制备而成，成本降低。
【附图说明】
图1为生长辅助环的结构示意图；
图2生长辅助环与单晶金刚石衬底装配示意图；
图3为金属Ir(001)薄膜表面制备金刚石(001)取向籽晶示意图；
图4为生长辅助环与单晶金刚石衬底生长后示意图；
图5金属辅助环与单晶金刚石衬底生长后示意图；
其中：10.非金刚石衬底；11.异质外延形核缓冲层；12.单晶金刚石形核层。13.(001)方向金刚石膜；14.H2/CH4等离子体；15.直流偏压电源；16.CVD生长样品台；20.生长辅助环；21.单晶金刚石衬底；22.同质外延生长的金刚石膜；23.金属辅助生长环；24.金属上生长的多晶金刚石。
【具体实施方式】
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明实施例公开了一种同质外延生长辅助环，用于设置在单晶金刚石衬底21外围一周，为异质外延结构，如图1和2所示，包括：自下而上逐层分布的非金刚石衬底10、异质外延形核缓冲层11和单晶金刚石形核层12；单晶金刚石形核层12的晶向与待生长的单晶金刚石面的晶向一致。异质外延形核缓冲层11为Ir，Pt或Ru。生长辅助20与单晶金刚石衬底21外围间留有间隙，小于10mm。
上述非金刚石衬底10选用单晶材料，为Si、SiO2、SrTiO3、MgO或Al2O3。
该辅助环为长方形框架或正方形框架。
上述的一种同质外延生长辅助环的制备方法如下：
步骤一、在非金刚石衬底10上制备异质外延形核缓冲层11；
步骤二、在步骤一中的异质外延形核缓冲层11上制备单晶金刚石形核层12；
步骤三、将步骤二中的带有单晶金刚石形核层12的衬底切割成多个条状体，多个条状体用于围绕在单晶金刚石衬底21外围一周，且各条状体依次首尾贴合，形成生长辅助环。
本发明还公开了上述一种通过异质外延保护环辅助单晶金刚石生长的方法，该方法如下：
步骤一、在非金刚石衬底10上制备异质外延形核缓冲层11；
步骤二、在步骤一中的异质外延形核缓冲层11上制备单晶金刚石形核层12；
步骤三、将步骤二中的带有单晶金刚石形核层12的衬底切割成多个条状体；
步骤四、将多个条状体围绕在单晶金刚石衬底21外围一周，多个条状体依次首尾贴合，形成生长辅助环；生长辅助环的厚度与单晶金刚石衬底21的厚度相同。
步骤五、在CVD中，生长辅助环20和单晶金刚石衬底21同步外延生长，得到同质外延生长的金刚石膜22。
以MgO(001)方向作为衬底材料为例，其表面粗糙度≤1nm，使用前经过体积比1:3的硫酸和硝酸混合溶液清洗表面。再分别用丙酮、酒精、去离子水清洗并烘干。使用磁控溅射法制备在其表面制备Ir(001)。采用的Ir靶纯度为99.95％。溅射温度为700℃，溅射功率为100W，Ar气通量为30sccm，溅射30分钟左右得到Ir(001)取向薄膜11，并得到Ir(001)/MgO(001)衬底。将制备好的Ir(001)/MgO衬底放入DC-CVD中，且放置在CVD生长样品台16上进行增强偏压形核，在Ir(001)取向薄膜表面接入电极15，并引入负电压，负电压在-500V～0V之间，且不为0。如图3所示，在H2/CH4等离子体14中，Ir(001)表面会形成(001)方向金刚石籽晶。将表面带有金刚石籽晶的Ir(001)/MgO(001)衬底切割成条状，将条状体依次贴在单晶金刚石衬底21外围一周，各条状体依次首尾贴合，形成单晶金刚石生长辅助环20，如图4。将单晶金刚石衬底21和生长辅助环20整体放入MP-CVD中生长，生长工艺为：气压100Torr，气体流量为500sccm，CH4/H2＝5％，衬底温度为900℃生长。生长辅助环20包围在单晶金刚石衬底21四周，在相同条件下协同生长。生长后单晶金刚石衬底21以及金刚石生长辅助环20表面都能得到连续(001)方向金刚石薄膜，如图4。该方法中，生长辅助环20的晶体生长速率和厚度具有自适应同质外延样品单晶金刚石衬底2的特点，可以有效消除同质外延单晶金刚石在长时间生长所产生的应力以及缺陷，提高晶体质量。
如图5所示，采用金属辅助生长环23设置在单晶金刚石衬底(21)外围一周，制备(001)方向金刚石膜，可知，在金属辅助生长环23上生长的多晶金刚石24结构杂乱无章，损耗大。

Claims (6)

1.一种同质外延生长辅助环，其特征在于，用于设置在单晶金刚石衬底(21)外围一周，为异质外延结构，包括：自下而上逐层分布的非金刚石衬底(10)、异质外延形核缓冲层(11)和单晶金刚石形核层(12)；所述单晶金刚石形核层(12)的晶向与待生长的单晶金刚石面的晶向一致。
2.根据权利要求1所述的一种同质外延生长辅助环，其特征在于，所述非金刚石衬底(10)选用单晶材料，为Si、SiO2、SrTiO3、MgO或Al2O3。
3.根据权利要求3所述的一种同质外延生长辅助环，其特征在于，该辅助环为长方形框架或正方形框架。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种同质外延生长辅助环的制备方法，其特征在于，该制备方法如下：
步骤一、在非金刚石衬底(10)上制备异质外延形核缓冲层(11)；
步骤二、在所述步骤一中的异质外延形核缓冲层(11)上制备单晶金刚石形核层(12)；
步骤三、将所述步骤二中的带有单晶金刚石形核层(12)的衬底切割成多个条状体，多个所述条状体用于围绕在单晶金刚石衬底(21)外围一周，且各所述条状体依次首尾贴合，形成生长辅助环(20)。
5.一种通过异质外延保护环辅助单晶金刚石生长的方法，其特征在于，该方法如下：
步骤一、在非金刚石衬底(10)上制备异质外延形核缓冲层(11)；
步骤二、在所述步骤一中的异质外延形核缓冲层(11)上制备单晶金刚石形核层(12)；
步骤三、将所述步骤二中的带有单晶金刚石形核层(12)的衬底切割成多个条状体；
步骤四、将多个所述条状体围绕在单晶金刚石衬底(21)外围一周，多个所述条状体依次首尾贴合，形成生长辅助环(20)；
步骤五、在CVD中，所述生长辅助环(20)和单晶金刚石衬底(21)同步外延生长，得到同质外延生长的金刚石膜(22)。
6.根据权利要求5所述的一种通过异质外延保护环辅助单晶金刚石生长的方法，其特征在于，所述生长辅助环的厚度与所述单晶金刚石衬底(21)的厚度相同。
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