本發(fā)明屬于單晶金剛石材料制備領(lǐng)域，具體涉及一種cvd法合成單晶金剛石降低位錯(cuò)密度的方法。

背景技術(shù)：

單晶金剛石禁帶寬度為5.5ev，屬于超寬帶隙半導(dǎo)體，被稱為“第四代半導(dǎo)體材料”，具有超高載流子遷移率、最高熱導(dǎo)率、最高擊穿場強(qiáng)、低介電常數(shù)、高的johnson指標(biāo)和keyse指標(biāo)等等優(yōu)越性質(zhì)，使其成為極高頻超高功率領(lǐng)域應(yīng)用的終極材料。低壓化學(xué)氣相法（cvd）合成單晶金剛石成本低，晶體尺寸大，成為人工合成單晶金剛石的可行方法之一。目前限制單晶金剛石應(yīng)用的一大問題既是其晶體質(zhì)量差，同質(zhì)生長的位錯(cuò)密度高達(dá)10⁴-10⁶cm^-2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到微波功率器件襯底材料的需求。由于低壓化學(xué)氣相沉積法生長環(huán)境的特殊性，缺少合適的掩模材料，傳統(tǒng)半導(dǎo)體單晶材料降低位錯(cuò)的方法對于金剛石不具有普適性。因此，尋找適合低壓化學(xué)氣相沉積法合成單晶金剛石的有效降低位錯(cuò)密度的方法十分必要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對低壓化學(xué)氣相法合成單晶金剛石的位錯(cuò)密度高的問題提出的一種有效的改善手段，即提供一種利用cvd法合成單晶金剛石降低位錯(cuò)密度的方法。該方法通過激光刻蝕技術(shù)將金剛石表面圖案化的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，控制單晶金剛石圖案層橫向與縱向的生長速率，通過一次或多次圖案化處理有效抑制生長過程中位錯(cuò)的產(chǎn)生，獲得高質(zhì)量的單晶金剛石。

本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：一種cvd法合成單晶金剛石降低位錯(cuò)密度的方法，其特征在于，該方法有如下步驟：

（1）、制作圖案化金剛石襯底

a）、根據(jù)金剛石尺寸設(shè)計(jì)刻蝕圖案；

b）、使用激光器將激光斑點(diǎn)聚焦在晶體表面；

c）、設(shè)定激光功率1-3kw，激光步長5-15mm/s；

d）、依據(jù)設(shè)計(jì)的圖案進(jìn)行激光刻蝕；

e）、利用無水乙醇對襯底表面進(jìn)行超聲清洗；

f）、設(shè)定刻蝕壓力100-200mbar、微波功率1-3kw，在cvd氫氣或者氫氣/氧氣等離子體條件下對襯底表面進(jìn)行等離子體刻蝕，最后進(jìn)行清洗，清洗10-120min，去除激光燒蝕碳化部分；

（2）、利用圖案化襯底進(jìn)行單晶金剛石生長

a）、將已圖案化的單晶金剛石襯底依次利用丙酮、乙醇、水進(jìn)行超聲清洗，反復(fù)清洗3次，每次清洗時(shí)間5min；

b）、將清洗完成的單晶金剛石襯底裝入微波等離子體或者熱絲等離子體生長設(shè)備；

c）、對單晶金剛石襯底進(jìn)行等離子體清洗，氣氛為氫氣或者氫氣/氧氣的混合氣體；

d）、加入甲烷，進(jìn)行單晶金剛石生長試驗(yàn)，控制加入甲烷比例為總氣體體積的2-10%，；

e）、生長結(jié)束之后，取出單晶金剛石，利用x射線貌相術(shù)對單晶金剛石生長層的晶體質(zhì)量進(jìn)行表征，即對單晶金剛石位錯(cuò)密度降低進(jìn)行檢測；

所述的金剛石襯底圖案設(shè)為周期性矩形凹槽或設(shè)為周期性梯形凹槽。

本發(fā)明所述的根據(jù)單晶金剛石襯底的尺寸邊長l和厚度d選擇金剛石襯底圖案為周期性矩形凹槽：設(shè)矩形凹槽間距為w1，矩形凹槽寬度為w2，矩形凹槽深度為d，矩形凹槽寬度w2和矩形凹槽深度d的尺寸應(yīng)滿足以下關(guān)系式：d/w2=1-5。

本發(fā)明所述的根據(jù)單晶金剛石襯底的尺寸邊長l和厚度d選擇金剛石襯底圖案為周期性梯形凹槽：設(shè)梯形凹槽上方間距為w1，梯形凹槽下方間距為w3，梯形凹槽底部寬度為w2，梯形凹槽深度為d，梯形凹槽底部寬度w2和梯形凹槽深度d應(yīng)滿足以下關(guān)系式：d/w2=1-5。

金剛石單晶材料的位錯(cuò)作為復(fù)合中心，會(huì)降低載流子遷移率；并且會(huì)引起漏電流，降低器件的最大擊穿場強(qiáng)，因此，金剛石的位錯(cuò)密度需控制在一定水平以下才可以實(shí)現(xiàn)金剛石的應(yīng)用。本發(fā)明通過金剛石表面圖案化處理，優(yōu)化橫縱生長速率的比值，進(jìn)而抑制兩個(gè)方面的位錯(cuò)來源，一是單晶金剛石襯底的位錯(cuò)遺傳，二是界面處新產(chǎn)生的位錯(cuò)。

低壓化學(xué)氣相法生長單晶金剛石的位錯(cuò)來源主要有三種，一是單晶金剛石襯底的位錯(cuò)遺傳，二是單晶金剛石襯底表面雜質(zhì)、加工損傷，三是在同質(zhì)生長過程中產(chǎn)生的，如圖1所示。單晶金剛石襯底一般采用高溫高壓法或低壓化學(xué)氣相法合成的單晶，其結(jié)晶質(zhì)量有限，位錯(cuò)密度高達(dá)10⁴-10⁶cm^-2，并且在加工過程中也不可避免的在表面引入污染物和加工損傷。這也就造成了單晶金剛石生長層較高的位錯(cuò)密度。

本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是：利用周期性圖案化金剛石襯底同質(zhì)生長金剛石具有以下優(yōu)勢，在生長過程中控制單晶金剛石橫向和縱向的生長速率比值，可以保證在凹槽內(nèi)生長方向與位錯(cuò)線方向垂直，消除襯底凹槽底部的位錯(cuò)遺傳，從而提高金剛石生長層的晶體質(zhì)量，如圖4所示。

附圖說明

圖1為單晶金剛石襯底同質(zhì)生長位錯(cuò)產(chǎn)生示意圖；

圖2為單晶金剛石襯底表面周期性矩形凹槽示意圖；

圖3為單晶金剛石襯底表面周期性梯形凹槽示意圖；

圖4為單晶金剛石襯底表面圖案化后位錯(cuò)產(chǎn)生示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

針對單晶金剛石襯底本身缺陷密度高和表面質(zhì)量差的問題，本發(fā)明對襯底表面進(jìn)行了周期性圖案化處理，通過激光刻蝕技術(shù)獲得周期性陣列，如圖2和圖3所示的兩種圖形。根據(jù)單晶金剛石襯底的尺寸邊長l（3mm~20mm）和厚度d（0.1~2mm）選擇圖案的尺寸。兩種圖案均可達(dá)到降低位錯(cuò)密度的目的。

如圖2所示，根據(jù)單晶金剛石襯底的尺寸邊長l為3mm~20mm、厚度d為0.1~2mm，選擇矩形凹槽的間距w1為0.1~5000μm，矩形凹槽寬度w2為0.1~5000μm，矩形凹槽深度d為0.1~1000μm。保持d/w2=1~5。

如圖3所示，根據(jù)單晶金剛石襯底的尺寸邊長l為3mm~20mm、厚度d為0.1~2mm，選擇梯形凹槽上方間距w1為0.1~5000μm，梯形凹槽下方間距w3為0.1~5000μm，梯形凹槽底部寬度w2為0.1~5000μm，梯形凹槽深度d為0.1~1000μm。保持d/w2=1~5。

實(shí)施例1：

cvd法合成單晶金剛石降低位錯(cuò)密度的方法有如下步驟：

（1）、制作圖案化金剛石襯底

a）、根據(jù)金剛石尺寸設(shè)計(jì)刻蝕圖案；金剛石襯底的尺寸邊長l為5mm；厚度d為1mm；選擇周期性矩形凹槽圖案；其中圖案尺寸為w1為50μm，w2為20μm，d=60μm，d/w2=3尺寸滿足以下關(guān)系式：d/w2=1~5；

b）、使用激光器將激光斑點(diǎn)聚焦在晶體表面；

c）、設(shè)定激光功率1kw,激光步長5mm/s；

d）、依據(jù)設(shè)計(jì)的圖案進(jìn)行激光刻蝕；

e）、利用無水乙醇對襯底表面進(jìn)行超聲清洗，超聲處理30min；

f）、設(shè)定刻蝕壓力140mbar、微波功率2kw，在cvd氫氣或者氫氣/氧氣等離子體條件下對襯底表面進(jìn)行等離子體刻蝕，最后進(jìn)行清洗，清洗30min，去除激光燒蝕碳化部分；

（2）、利用圖案化襯底進(jìn)行單晶金剛石生長

a）、將已圖案化的單晶金剛石襯底依次利用丙酮、乙醇、水進(jìn)行超聲清洗，反復(fù)清洗3次，每次清洗時(shí)間5min；

b）、將清洗完成的單晶金剛石襯底裝入微波等離子體或者熱絲等離子體生長設(shè)備；

c）、對單晶金剛石襯底進(jìn)行等離子體清洗，約10min，氣氛為氫氣/氧氣混合氣體（氧氣占?xì)錃怏w積的比例<2%）；

d）、加入甲烷，控制加入甲烷比例為總氣體體積的5%，進(jìn)行單晶金剛石生長試驗(yàn)；

e）、生長結(jié)束之后，取出單晶金剛石，利用x射線貌相術(shù)對單晶金剛石生長層的晶體質(zhì)量進(jìn)行表征，即對單晶金剛石位錯(cuò)密度降低進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)單晶金剛石位錯(cuò)密度降低（如圖4所示）。

實(shí)施例2：

cvd法合成單晶金剛石降低位錯(cuò)密度的方法有如下步驟：

（1）、制作圖案化金剛石襯底

a）、根據(jù)金剛石尺寸設(shè)計(jì)刻蝕圖案；金剛石襯底的尺寸邊長l為5mm；厚度d為1mm；選擇周期性梯形凹槽圖案；其中圖案尺寸為w1為50μm，w2為20μm，w3為80μm，d=60μm，d/w2=3尺寸滿足以下關(guān)系式：d/w2=1~5；

b）、使用激光器將激光斑點(diǎn)聚焦在晶體表面；

c）、設(shè)定激光功率1kw，激光步長5mm/s；

d）、依據(jù)設(shè)計(jì)的圖案進(jìn)行激光刻蝕；

e）、利用無水乙醇對襯底表面進(jìn)行超聲清洗，超聲處理約30min；

f）、設(shè)定刻蝕壓力140mbar、微波功率2kw，在氫氣/氧氣等離子體條件下對襯底表面進(jìn)行等離子體刻蝕，最后進(jìn)行清洗，清洗約30min，去除激光燒蝕碳化部分；

（2）、利用圖案化襯底進(jìn)行單晶金剛石生長

a）、將已圖案化的單晶金剛石襯底依次利用丙酮、乙醇、水進(jìn)行超聲清洗；反復(fù)清洗3次，每次清洗時(shí)間5min；

b）、將清洗完成的單晶金剛石襯底裝入微波等離子體或者熱絲等離子體生長設(shè)備；

c）、對單晶金剛石襯底進(jìn)行等離子體清洗約10min，氣氛為氫氣/氧氣混合氣體（氧氣占?xì)錃怏w積的比例<2%）；

d）、加入甲烷，進(jìn)行單晶金剛石生長試驗(yàn)，控制加入甲烷比例為總氣體體積的5%；

e）、生長結(jié)束之后，取出單晶金剛石，利用x射線貌相術(shù)對單晶金剛石生長層的晶體質(zhì)量進(jìn)行表征，即對單晶金剛石位錯(cuò)密度降低進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)單晶金剛石位錯(cuò)密度降低（如圖4所示）。