金属辅助控制CVD生长单晶金刚石位错延伸的结构及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种金属辅助控制CVD生长单晶金刚石位错延伸的结构及其制备方法和应用，所述结构包括单晶金刚石衬底和金属

【技术实现步骤摘要】
金属辅助控制CVD生长单晶金刚石位错延伸的结构及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于金刚石半导体晶体生长
，特别涉及一种金属辅助控制CVD(化学气相沉积，Chemical Vapor Deposition)生长单晶金刚石位错延伸的结构及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]单晶金刚石属于第三代宽禁带半导体，具备多种优异性能，比如大的禁带宽度、高的临界击穿场强、大的空穴和电子迁移率、良好的光透过性、有效的抗辐射能力等，这些优异性能使得单晶金刚石材料在高频高压高功率电学领域、MEMS领域等应用潜力巨大。而这些应用的前提是生长出符合要求的高质量大尺寸单晶金刚石材料，因此对于单晶金刚石生长中的缺陷尤其是延伸性比较强的线缺陷的抑制方法的研究很有必要。
[0003]目前，单晶金刚石材料的生长技术取得了很大的发展，但作为半导体用的缺陷依然很高，具有高于108cm2的量级，无法满足电子器件的需求。这些缺陷主要是以薄膜的生长过程中延伸性较强的线缺陷为主，缺陷的产生是一部分原子错误地排列偏离正常的晶格格点位置造成的，如图4所示。为了减少或者消除这些缺陷，通常采用的办法主要有横向外延(ELO)、图形化衬底、金属粒子堆积掩膜等，这些方法属于宏观的方法，且工艺较为繁琐，需要用到光刻，镀膜，多次外延生长等，且位错密度一般降低较少，效果并不显著，有时甚至带来新的问题。
[0004]综上，亟需一种新的金属辅助控制CVD生长单晶金刚石位错延伸的结构及其制备方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种金属辅助控制CVD生长单晶金刚石位错延伸的结构及其制备方法和应用，以解决金刚石生长过程中线缺陷处部分原子错误地排列，偏离正常晶格格点位置的技术问题。本专利技术能够减少或者抑制线缺陷从衬底向生长薄膜的延伸。
[0006]为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0007]本专利技术的一种金属辅助控制CVD生长单晶金刚石位错延伸的结构，包括：单晶金刚石衬底；所述单晶金刚石衬底同质外延有金属
‑
金刚石外延薄膜。
[0008]本专利技术的进一步改进在于，所述单晶金刚石衬底的电阻率大于等于100MΩ
·
cm，均方根表面粗糙度小于等于1nm，拉曼曲线半峰宽小于等于3cm
‑1，XRD摇摆曲线半峰宽小于等于30arcsec。
[0009]本专利技术的进一步改进在于，所述金属
‑
金刚石外延薄膜中的金属元素为钨、钯、铱和钌中的一种或多种。
[0010]本专利技术的进一步改进在于，所述金属
‑
金刚石外延薄膜的电阻率大于等于1MΩ
·
cm，均方根表面粗糙度小于等于1nm，拉曼曲线半峰宽小于等于3cm
‑1，XRD摇摆曲线半峰宽小
于等于30arcsec，金属元素体浓度10
10
‑
10
20
cm
‑3。
[0011]本专利技术的一种金属辅助控制CVD生长单晶金刚石位错延伸的结构的制备方法，包括以下步骤：
[0012]步骤1，将单晶金刚石衬底进行酸、碱、化学试剂清洗并吹干，获得处理后的单晶金刚石衬底；
[0013]步骤2，在步骤1获得的处理后的单晶金刚石衬底上同质外延获得金属
‑
金刚石外延薄膜，完成制备。
[0014]本专利技术的进一步改进在于，步骤2中，同质外延获得金属
‑
金刚石外延薄膜时，金属前驱体加热升华为气体，以氢气为载体，将升化后的金属原子带入生长腔体；生长温度为800℃～1100℃，腔室压力为70Torr～150Torr，生长功率为2500W～6000W。
[0015]本专利技术的进一步改进在于，其特征在于，步骤2中，将升化后的金属原子带入生长腔体时，氢气载气的流量为10
‑
500sccm。
[0016]本专利技术的进一步改进在于，步骤2中，所述金属
‑
金刚石外延薄膜的厚度为1
‑
20μm，金属元素体浓度小于等于10
18
cm
‑3；金属元素为钨、钯、铱和钌中的一种或多种；所述金属
‑
金刚石外延薄膜的电阻率大于等于1MΩ
·
cm，均方根表面粗糙度小于等于1nm，拉曼曲线半峰宽小于等于3cm
‑1，XRD摇摆曲线半峰宽小于等于30arcsec。
[0017]本专利技术的一种金属辅助控制CVD生长单晶金刚石位错延伸的结构的应用，包括以下步骤：在金属
‑
金刚石外延薄膜同质外延获得单晶金刚石。
[0018]本专利技术的进一步改进在于，同质外延获得单晶金刚石时，生长温度900℃～1100℃，腔室压力70Torr～150Torr，生长功率为2500W～6000W；获得的单晶金刚石的厚度大于等于20μm，电阻率大于等于100MΩ
·
cm，均方根表面粗糙度小于等于1nm，拉曼曲线半峰宽小于等于3cm
‑1，XRD摇摆曲线半峰宽小于等于30arcsec，缺陷密度为103～108cm2。
[0019]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0020]本专利技术的结构，设置有金属
‑
金刚石外延薄膜，在单晶金刚石薄膜生长过程中，利用金属原子与缺陷处C原子的结合，改变缺陷处C原子的排列方式，使得C原子回到金刚石晶格的格点位置，能够抑制线缺陷向后续薄膜的延伸，减少金刚石薄膜缺陷密度。
[0021]本专利技术的制备方法采用两步生长法在同一腔体内完成，是一种原位生长办法，可避免样品取出过程中的二次污染。本专利技术制备的金属辅助控制CVD生长单晶金刚石位错延伸的结构，可在CVD生长金刚石过程中引入金属前驱体，形成原子级互联的金属
‑
金刚石薄膜，能够有效抑制金刚石衬底缺陷尤其是线缺陷向外延层薄膜延伸，相对于现有的横向外延、图形化衬底技术，该方法工艺过程简单，无需光刻和二次生长，相当金属粒子掩蔽技术。
[0022]本专利技术中，由于金属前驱体相对其载气(H2)来说含量很低，可以有效避免金属掺入改变金刚石电性能。
[0023]本专利技术的应用中，在金刚石单晶生长的过程中，改变缺陷处原子的排列，使薄膜后续生长过程中，每个原子排列在金刚石晶格格点位置，使得缺陷消失；导入金属原子，由于缺陷处的特殊性，金属原子预先被缺陷俘获，在该处与C原子形成化学键，改变了缺陷处的原子排列方式，使得金刚石碳原子在后续生长中回到晶格格点位置，抑制了线缺陷向后续生长薄膜的延伸，使得缺陷密度减少两个数量级以上。
附图说明
[0024]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0025]图1是本发本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金属辅助控制CVD生长单晶金刚石位错延伸的结构，其特征在于，包括：单晶金刚石衬底；所述单晶金刚石衬底同质外延有金属
‑
金刚石外延薄膜。2.根据权利要求1所述的一种金属辅助控制CVD生长单晶金刚石位错延伸的结构，其特征在于，所述单晶金刚石衬底的电阻率大于等于100MΩ
·
cm，均方根表面粗糙度小于等于1nm，拉曼曲线半峰宽小于等于3cm
‑1，XRD摇摆曲线半峰宽小于等于30arcsec。3.根据权利要求1所述的一种金属辅助控制CVD生长单晶金刚石位错延伸的结构，其特征在于，所述金属
‑
金刚石外延薄膜中的金属元素为钨、钯、铱和钌中的一种或多种。4.根据权利要求1所述的一种金属辅助控制CVD生长单晶金刚石位错延伸的结构，其特征在于，所述金属
‑
金刚石外延薄膜的电阻率大于等于1MΩ
·
cm，均方根表面粗糙度小于等于1nm，拉曼曲线半峰宽小于等于3cm
‑1，XRD摇摆曲线半峰宽小于等于30arcsec，金属元素体浓度为10
10
～10
20
cm
‑3。5.一种金属辅助控制CVD生长单晶金刚石位错延伸的结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，将单晶金刚石衬底进行酸、碱、化学试剂清洗并吹干，获得处理后的单晶金刚石衬底；步骤2，在步骤1获得的处理后的单晶金刚石衬底上同质外延获得金属
‑
金刚石外延薄膜，完成制备。6.根据权利要求5所述的一种金属辅助控制CVD生长单晶金刚石位错延伸的结构的制备方法，其特征在于，步骤2中，同质外延获得金属
‑
金刚石外延薄...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宏兴，王若铮，王艳丰，闫秀良，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：