2024-09-23
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強(qiáng)共價鍵賦予金剛石卓越性能，如高導(dǎo)熱、高遷移率及寬禁帶，使其成為功率器件、光電、量子技術(shù)及傳感器的候選材料。但實際應(yīng)用仍面臨挑戰(zhàn)，如MPCVD工藝控制以實現(xiàn)大尺寸、平滑表面及導(dǎo)電性需 求，以及傳統(tǒng)加工技術(shù)的改進(jìn)。本文概述了Kanazawa University針對此的三項MPCVD生長技術(shù)研究。
1.提高增長率：論文引入金剛石晶片生長速率增強(qiáng)技術(shù)，通過優(yōu)化MPCVD的反應(yīng)器、電場、氣體與基體定位，無氮氣下實現(xiàn)250 μm/h的高生長速率且晶體質(zhì)量優(yōu)異。增添氮氣并優(yōu)化條件后，速率提升至432 μm/h。該技術(shù)制得0.1mm厚獨立金剛石板，結(jié)晶度媲美HPHT基板，優(yōu)于商用CVD基板，X射線衍射驗證其高質(zhì)量。但大面積基板應(yīng)用仍是技術(shù)難點。
金剛石CVD生長要點：自由基生成于氫甲烷混合氣微波激發(fā)；氫原子促進(jìn)活性物質(zhì)保存。活性物質(zhì)從等離子體擴(kuò)散至基體，途中碰撞生成新物質(zhì)，經(jīng)鞘層與金剛石表面交互。表面反應(yīng)中，活性物質(zhì)遷移至反應(yīng)位點，形成化學(xué)鍵或解吸，氫原子蝕刻SP2鍵，碳?xì)浠衔锎龠M(jìn)鉆石生長。研究采用CVD設(shè)備與支架結(jié)構(gòu)，探索(100)金剛石膜生長速率隨甲烷分壓變化，發(fā)現(xiàn)提升微波功率與總壓強(qiáng)可增速，最大達(dá)150μm/h。高功率密度或提升甲烷轉(zhuǎn)化效率，但生長速率斜率與無氮條件相當(dāng)，或歸因于碳自由基擴(kuò)散效率低。
研究報告指出，該項目已達(dá)到世界最快生長速度。與Si、SiC及GaN等功率半導(dǎo)體材料比較，金剛石生長率雖低于商業(yè)化Si、SiC，但與GaN相當(dāng)。金剛石晶種面積擴(kuò)大是最大挑戰(zhàn)，異質(zhì)外延難達(dá)大尺寸，同質(zhì)外延可三維或馬賽克生長。團(tuán)隊技術(shù)在小基片上測試成功，適用于后者。MPCVD需三維擴(kuò)展等離子球增面積，但降低功率密度，限制大面積生長速率。915 MHz微波雖增面積，卻降低功率利用率和物質(zhì)供應(yīng)效率。解決之道在于二維擴(kuò)等離子體提功率密度，并探索熱絲CVD及無等離子氣體CVD以降低鉆石生產(chǎn)能源成本。
2.金剛石表面的原子控制：研究人員通過調(diào)整生長模式，在原子層面操控金剛石表面。在同質(zhì)外延（111）面，采用橫向、二維島狀及三維生長模式。通過精細(xì)調(diào)控甲烷濃度與基板錯位，可在高壓高溫（111）臺面上切換生長模式。橫向生長實現(xiàn)從微米到毫米擴(kuò)展，優(yōu)化后，研究人員在全基材上達(dá)成原子級平坦金剛石表面。
3.低電阻率摻雜控制：研究擴(kuò)展至雜質(zhì)摻雜技術(shù)，調(diào)控金剛石導(dǎo)電性。硼摻雜金剛石薄膜生長速率高達(dá)30 μm/h，為傳統(tǒng)速度的5倍。通過調(diào)節(jié)硼摻雜，制得電阻率跨度的金剛石薄片。采用橫向生長模式實現(xiàn)δ摻雜層，保持原子級平坦，提升載流子濃度與遷移率。結(jié)合此技術(shù)與調(diào)制摻雜，可精準(zhǔn)摻雜于三維器件，優(yōu)化電子特性。MPCVD同質(zhì)外延金剛石技術(shù)已成熟應(yīng)用于晶圓制造與電導(dǎo)率控制。針對電力電子應(yīng)用，需定制晶體規(guī)格，并整合技術(shù)以展現(xiàn)金剛石半導(dǎo)體卓越性能。未來，還需解決器件制造、表面/界面控制及極致物理特性發(fā)揮等挑戰(zhàn)。
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