一种高速高质量单晶金刚石的生长方法技术

本发明专利技术公开了一种单晶金刚石的生长方法，该方法包括：在衬底表面生长金刚石支撑层；在金刚石支撑层表面生长中间缺陷阻挡层；以及在中间缺陷阻挡层表面生长金刚石表面层。该方法在衬底上生长一层厚的金刚石支撑层，金刚石支撑层以较高的生长速率生长；在金刚石支撑层上生长一层中间缺陷阻挡层，中间缺陷阻挡层采用台阶生长模式阻碍金刚石中的缺陷向表面处延伸；在中间缺陷阻挡层上生长一层金刚石表面层，金刚石表面层采取优化过的生长条件，以较低的生长速率得到高质量的金刚石表面层，这种生长方法通过三层结构来生长高质量单晶金刚石。本发明专利技术解决了传统金刚石生长过程中外延层高的生长速率与外延层质量之间相矛盾的问题。

Growth method of high speed and high quality single crystal diamond

The invention discloses a growth method of single crystal diamond, which comprises: growing a diamond support layer on the substrate surface; growing an intermediate defect barrier layer on the surface of the diamond support layer; and growing a diamond surface layer on the surface of the intermediate defect barrier layer. In this method, a thick diamond support layer is grown on the substrate, and the diamond support layer grows at a higher growth rate; an intermediate defect barrier layer is grown on the diamond support layer, and the intermediate defect barrier layer is used to prevent the defects in the diamond from extending to the surface by the step growth mode. A layer of diamond surface layer, the diamond surface layer takes the optimized growth conditions, with a low growth rate to get high quality diamond surface layer, this growth method through three layers of structure to grow high quality single crystal diamond. The invention solves the contradiction between the high growth rate of the epitaxial layer and the quality of the epitaxial layer in the traditional diamond growth process.

【技术实现步骤摘要】
一种高速高质量单晶金刚石的生长方法
本专利技术涉及薄膜与晶体生长
，涉及一种单晶金刚石材料外延生长方法，特别涉及一种高速、高质量单晶金刚石的生长方法。
技术介绍
半导体金刚石是一种优秀的半导体材料，拥有宽的禁带宽度，很高的室温电子和空穴迁移率，很高的击穿电场强度，以及极高的热导率和相对较低的介电常数，可以说是终极半导体。半导体金刚石优良的性质使得它在高温、高频、大功率电子器件和深紫外发光二极管以及探测器等方面有着很大的应用潜力，同时它还可以应用于电化学和生物传感器以及固态量子计算。目前已经制备的金刚石器件包括肖特基势垒二极管、场效应晶体管、深紫外发光二极管、高能粒子探测器、电化学和生物传感器等。高质量的单晶金刚石材料是这些应用的基础。金刚石生长采用的是等离子体化学汽相沉积法。等离子体化学汽相沉积法，将气体电离变成等离子体，更有利于金刚石外延层的生长。采用等离子体化学汽相沉积法能够更有效的生长金刚石。高质量的单晶金刚石是金刚石材料应用的基础，如何实现高速、高质量单晶金刚石生长对于金刚石材料的发展有着重要的意义。但是在单晶金刚石生长过程中，当金刚石外延层的生长速率比较高时，得到的金刚石外延层往往会出现质量差、缺陷多、光学和电学性质不好等问题；而同时高质量的金刚石的生长速率一般都比较慢，这就导致高质量单晶金刚石的生长效率太低不利于金刚石的发展，因此有必要提出新的方法来解决高速、高质量的生长金刚石。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提供一种高速高质量生长单晶金刚石的方法，以解决单晶金刚石高速生长与高质量生长相矛盾的难题。为达到上述目的，本专利技术提供了一种单晶金刚石的生长方法，该方法包括：在衬底表面生长金刚石支撑层；在金刚石支撑层表面生长中间缺陷阻挡层；以及在中间缺陷阻挡层表面生长金刚石表面层。上述方案中，所述在衬底表面生长金刚石支撑层的步骤中，采用外延的方式生长金刚石支撑层，金刚石支撑层的厚度在100μm～600μm内。上述方案中，所述在衬底表面生长金刚石支撑层的步骤中，不添加氮气而采用高微波功率、高生长气压、高甲烷浓度来实现金刚石支撑层的高速生长，微波功率为2～5kW，生长气压为200～300torr，氢气流量在200～600sccm之间，甲烷浓度在8％～12％之间，衬底温度保持在900℃～1200℃之间，金刚石支撑层的生长速率为50～80μm/h。上述方案中，所述衬底采用金刚石、硅、石墨烯或碳化硅，所述衬底与(100)面的晶面偏向角在0.5°～5°之间；所述在衬底表面生长金刚石支撑层的步骤中，衬底基座采用凹槽结构，衬底位于衬底基座凹槽中心位置。上述方案中，所述在衬底表面生长金刚石支撑层之前，还包括：通过强酸溶液和有机溶剂去除衬底表面的金属和有机杂质，然后利用氮气吹扫干燥。上述方案中，所述在金刚石支撑层表面生长中间缺陷阻挡层之前，还包括：对金刚石支撑层表面进行等离子体刻蚀，通过等离子体刻蚀金刚石支撑层表面，去除金刚石支撑层表面的缺陷。上述方案中，所述在金刚石支撑层表面生长的中间缺陷阻挡层的步骤中，采用的生长模式为台阶生长模式，通过优化台阶生长模式，即提高金刚石台阶密度，减小金刚石的台阶宽度，来阻挡缺陷向金刚石表面延伸。上述方案中，所述在金刚石支撑层表面生长的中间缺陷阻挡层的步骤中，微波功率为2～5kW，生长气压为140～180torr，氢气流量200～600sccm，甲烷浓度在4～8％之间，中间缺陷阻挡层生长温度在900℃～1200℃之间，中间缺陷阻挡层的生长速率为10～20μm/h。上述方案中，所述在中间缺陷阻挡层表面生长金刚石表面层的步骤中，采用低微波功率、低生长气压和低生长气压以实现金刚石表面层的低速高质量生长。上述方案中，所述微波功率为1～4kW，生长气压为90～120torr之间，氢气流量为100～300sccm，甲烷浓度在0.2～2％之间，金刚石表面层作为金刚石外延层，其生长速率为0.5～5μm/h。从上述技术方案可以看出，本专利技术通过研究金刚石的生长工艺、金刚石的高速生长、金刚石的缺陷抑制等，对传统的金刚石生长方式进行了改进，提出了一种新型的高速高质量生长单晶金刚石的方法，该方法是在衬底表面高速生长金刚石支撑层、在金刚石支撑层表面高速生长中间缺陷阻挡层，以及在中间缺陷阻挡层表面低速生长高质量表面层，实现高质量、高速单晶金刚石的生长，解决了单晶金刚石高速生长与高质量生长相矛盾的难题。附图说明图1为依照本专利技术实施例生长的单晶金刚石的结构示意图；图1中，1为衬底；2为金刚石厚支撑层；3为金刚石中间缺陷阻挡层；4为金刚石表面层。图2为依照本专利技术实施例的衬底基座采用凹槽结构的示意图。图3为依照本专利技术实施例的不同台阶宽度的金刚石外延层缺陷生长情况对比示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。本专利技术提供的是一种高速生长高质量单晶金刚石的方法，该方法是在衬底上生长一层厚的金刚石支撑层，金刚石支撑层以较高的生长速率生长；在金刚石支撑层上生长一层中间缺陷阻挡层，中间缺陷阻挡层采用台阶生长模式生长，同时台阶宽度比较窄，用于阻碍金刚石中的缺陷向表面处延伸；在中间缺陷阻挡层上低速生长一层金刚石表面层，金刚石表面层采取优化过的生长条件，以较低的生长速率能够得到高质量的金刚石表面层。这种生长方法通过三层结构来生长高质量单晶金刚石。其中，金刚石支撑层起到保持衬底几何结构的功能，中间缺陷阻挡层用于阻挡缺陷，金刚石表面层用来完成实现高质量单晶材料，本专利技术提供的这种单晶金刚石生长方法既能实现金刚石高速生长，也能得到高质量的单晶金刚石材料。如图1所示，图1为依照本专利技术实施例生长的单晶金刚石的结构示意图。该单晶金刚石包括金刚石支撑层、中间缺陷阻挡层和金刚石表面层的三层结构，本专利技术实施例的生长单晶金刚石的方法包括以下步骤：步骤1：在衬底表面生长金刚石支撑层，金刚石支撑层以较高的生长速率生长；步骤2：在金刚石支撑层表面生长中间缺陷阻挡层，中间缺陷阻挡层以台阶模式生长，同时台阶宽度比较窄；步骤3：在中间缺陷阻挡层表面低速生长金刚石表面层，金刚石表面层以较低的生长速率生长。步骤1中所述的衬底可以采用金刚石、硅、石墨烯或者碳化硅等，衬底与(100)面的晶面偏向角在0.5°～5°之间；在生长金刚石支撑层之前需要通过强酸溶液和有机溶剂去除衬底表面的金属和有机杂质，然后利用氮气吹扫干燥。在生长金刚石支撑层之前还需要对衬底进行氢等离子体刻蚀，刻蚀时间为5～60min，刻蚀条件为微波功率1～5kW，气压100～140torr，氢气流量200～600sccm，衬底刻蚀温度为800～1200℃。刻蚀掉衬底表面有可能存在没有被清洗掉的杂质原子，同时氢等离子体刻蚀后衬底之后，会在衬底表面形成悬挂键和氢键，为金刚石外延层的生长提供帮助。步骤1中生长金刚石支撑层，是采用外延的方式生长金刚石支撑层，在外延生长金刚石支撑层时金刚石外延层的生长速率很高，如果金刚石表面不同位置的生长速率不同，金刚石表面将会凹凸不平，不利于金刚石的后续生长。金刚石生长速率一致性在很大程度上与金刚石表面等离子体密度分布有关，因此需要对衬底基座的结构进行重新设计，确保衬底表面不同位置的生长速率一致本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单晶金刚石的生长方法，该方法包括：在衬底表面生长金刚石支撑层；在金刚石支撑层表面生长中间缺陷阻挡层；以及在中间缺陷阻挡层表面生长金刚石表面层。

【技术特征摘要】
1.一种单晶金刚石的生长方法，该方法包括：在衬底表面生长金刚石支撑层；在金刚石支撑层表面生长中间缺陷阻挡层；以及在中间缺陷阻挡层表面生长金刚石表面层。2.根据权利要求1所述的单晶金刚石的生长方法，其中，所述在衬底表面生长金刚石支撑层的步骤中，采用外延的方式生长金刚石支撑层，金刚石支撑层的厚度在100μm～600μm内。3.根据权利要求1或2所述的单晶金刚石的生长方法，其中，所述在衬底表面生长金刚石支撑层的步骤中，不添加氮气而采用高微波功率、高生长气压、高甲烷浓度来实现金刚石支撑层的高速生长，微波功率为2～5kW，生长气压为200～300torr，氢气流量在200～600sccm之间，甲烷浓度在8％～12％之间，衬底温度保持在900℃～1200℃之间，金刚石支撑层的生长速率为50～80μm/h。4.根据权利要求1或2所述的单晶金刚石的生长方法，其中，所述衬底采用金刚石、硅、石墨烯或碳化硅，所述衬底与(100)面的晶面偏向角在0.5°～5°之间；所述在衬底表面生长金刚石支撑层的步骤中，衬底基座采用凹槽结构，衬底位于衬底基座凹槽中心位置。5.根据权利要求1或2所述的单晶金刚石的生长方法，其中，所述在衬底表面生长金刚石支撑层之前，还包括：通过强酸溶液和有机溶剂去除衬底表面的金属和有机杂质，然后利用氮气吹扫干燥。6.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：龚猛，周广迪，郁万成，金鹏，王占国，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，中国科学院大学，
类型：发明
国别省市：北京,11