基于自组装工艺的高质量单晶金刚石生长方法

摘要

本发明公开了一种基于自组装工艺的高质量单晶金刚石生长方法，按照以下步骤实施：步骤一、将纳米二氧化硅颗粒分散到酒精、异丙醇或者丙酮溶液中，制备得到纳米二氧化硅分散液；步骤二、将分散液滴到单晶金刚石衬底表面，通过旋涂使其在单晶金刚石衬底表面均匀分散；步骤三、通过反应离子刻蚀技术，刻蚀单晶金刚石衬底表面的纳米二氧化硅，形成自断裂的二氧化硅掩膜，使单晶金刚石衬底表面部分裸露；步骤四、通过在裸露的单晶金刚石衬底表面进行金刚石同质外延生长，并在二氧化硅掩膜上进行金刚石横向生长，即在衬底上生长出单晶金刚石薄膜，解决了现有采用同质外延生长法制备金刚石薄膜质量偏低的问题。

权利要求

1.基于自组装工艺的高质量单晶金刚石生长方法，其特征在于，按照以下步骤实施：步骤一、将纳米二氧化硅颗粒分散到酒精、异丙醇或者丙酮溶液中，制备得到纳米二氧化硅分散液；

步骤二、将分散液滴到单晶金刚石衬底表面，通过旋涂使其在单晶金刚石衬底表面均匀分散；

步骤三、通过反应离子刻蚀技术，刻蚀单晶金刚石衬底表面的纳米二氧化硅，形成自断裂的二氧化硅掩膜，使单晶金刚石衬底表面部分裸露；

其中，所述步骤三通过反应离子刻蚀技术对纳米二氧化硅颗粒层进行轻微刻蚀，形成部分区域裸露单晶金刚石衬底表面的二氧化硅颗粒层；

步骤四、通过在裸露的单晶金刚石衬底表面进行金刚石同质外延生长，并在二氧化硅掩膜上进行金刚石横向生长，即在衬底上生长出单晶金刚石薄膜。

2.如权利要求1所述的基于自组装工艺的高质量单晶金刚石生长方法，其特征在于，所述的步骤一中二氧化硅纳米颗粒的直径为200nm～3μm。

3.如权利要求1或2所述的基于自组装工艺的高质量单晶金刚石生长方法，其特征在于，所述步骤二的具体方法为将分散液滴到金刚石衬底表面，利用匀胶机在金刚石衬底表面均匀旋涂纳米二氧化硅分散液，通过调节分散液浓度和旋涂速度获得在金刚石衬底表面均匀紧密排列的单层纳米二氧化硅颗粒。

4.如权利要求1或2所述的基于自组装工艺的高质量单晶金刚石生长方法，其特征在于，所述步骤四中，采用CVD设备进行单晶金刚石同质外延生长，其生长条件为：功率3200W，反应压强16kPa，通入气体流量H2/CH4＝490sccm/10sccm。

5.如权利要求1或2所述基于自组装工艺的高质量单晶金刚石生长方法，其特征在于，所述单晶金刚石薄膜为单晶金刚石连续膜。

说明书

基于自组装工艺的高质量单晶金刚石生长方法

技术领域

[0001] 本发明属于金刚石化学气相沉积技术领域，涉及基于自组装工艺的高质量单晶金刚石生长方法。

背景技术

[0002] 第三代半导体材料如金刚石、GaN和SiC都是国内外近年来研究的热点，但是金刚石表现出比GaN和SiC更优越的半导体性能。金刚石禁带宽度、临界击穿电场强度、载流子的饱和漂移速率以及迁移率都非常大，介电常数非常小，特别适用于高频、高压、高功率等电子器件。它集力学、电学、热学、声学、光学、耐蚀等优异性能于一身，是目前最有发展前途的半导体材料，在微电子、光电子、生物医学、机械、航空航天、核能等高新技术领域中可望具有极佳的应用前景。高质量的金刚石薄膜是从事金刚石研究以及金刚石应用的基础。近年来，由于化学气相沉积(CVD)金刚石薄膜的制备取得了令人瞩目的进展，从而使得其优异特性得到了多方面的应用，比如目前报道已经制备出击穿场强高达7.7MV/cm的金刚石基肖特基二极管。

[0003] 但是单晶金刚石薄膜相比其他单晶半导体薄膜，依然具有较高的位错密度。而半导体薄膜中较高的位错密度会影响器件性能的提升，比如金刚石肖特基二极管在金刚石薄膜位错密度增加时将引起肖特基二极管漏电流增大，导致金刚石肖特基二极管的耐压性能下降。因此，获得高质量单晶金刚石薄膜依然是当前需要解决的问题。

[0004] 众所周知，衬底的位错可以向外延生长薄膜中延伸。而横向生长方法在III-V族半导体薄膜制备中被证明能够有效抑制衬底位错向外延生长薄膜中延伸，来减 少外延层位错密度。具体办法是在衬底上生长出III-V族半导体的成核层，再在表面沉积一层掩膜，然后利用光刻等工艺在掩膜上形成窗口，露出成核层，进而，经过在该窗口的外延生长加上掩膜上的横向生长，最终获得连续光滑的III-V族半导体薄膜。此外，自组装工艺在III-V族半导体广泛应用，用于简单高效的获取表面掩膜。自组装工艺的办法为将纳米颗粒材料用分散液分散，然后采用旋涂的方法在半导体表面均匀分散，然后采用反应离子刻蚀(RIE)使得均匀分散的纳米颗粒层自断裂，从而有效的获得半导体表面部分裸露的掩膜。将这两种方法应用于单晶金刚石生长，可以有效的改善单晶金刚石生长质量，获得高质量的单晶金刚石薄膜，目前尚无将这两种方法结合用于提高单晶金刚石质量的报道。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供一种基于自组装工艺的高质量单晶金刚石生长方法，以解决现有采用同质外延生长法制备金刚石薄膜质量偏低的问题。

[0006] 本发明所采用的技术方案是，基于自组装工艺的高质量单晶金刚石生长方法，按照以下步骤实施：

[0007] 步骤一、将纳米二氧化硅颗粒分散到酒精、异丙醇或者丙酮溶液中，制备得到纳米二氧化硅分散液；

[0008] 步骤二、将分散液滴到单晶金刚石衬底表面，通过旋涂使其在单晶金刚石衬底表面均匀分散；

[0009] 步骤三、通过反应离子刻蚀技术，刻蚀单晶金刚石衬底表面的纳米二氧化硅，形成自断裂的二氧化硅掩膜，使单晶金刚石衬底表面部分裸露；

[0010] 步骤四、通过在裸露的单晶金刚石衬底表面进行金刚石同质外延生长，并在二氧化硅掩膜上进行金刚石横向生长，即在衬底上生长出单晶金刚石薄膜。

[0011] 进一步的，步骤一中二氧化硅纳米颗粒的直径为200nm～3μm。

[0012] 进一步的，步骤二的具体方法为将分散液滴到金刚石衬底表面，利用匀胶机 在金刚石衬底表面均匀旋涂纳米二氧化硅分散液，通过调节分散液浓度和旋涂速度获得在金刚石衬底表面均匀紧密排列的单层纳米二氧化硅颗粒。

[0013] 进一步的，步骤三通过反应离子刻蚀技术对纳米二氧化硅颗粒层进行轻微刻蚀，形成部分区域裸露单晶金刚石衬底表面的二氧化硅颗粒层。

[0014] 进一步的，步骤四中，采用CVD设备进行单晶金刚石同质外延生长，其生长条件为：功率3200W，反应压强16kPa，通入气体流量H2/CH4＝490sccm/10sccm。

[0015] 进一步的，单晶金刚石薄膜为单晶金刚石连续膜。

[0016] 本发明的有益效果是，结合横向生长方法以及自组装工艺，对于现有的单晶金刚石同质外延生长技术进行改进，能够有效的生长出位错密度低、质量高、表面光滑的单晶金刚石薄膜，降低了外延生长电子器件级单晶金刚石薄膜的难度，提高了薄膜质量。

附图说明

[0017] 图1是本发明基于自组装工艺的高质量单晶金刚石生长方法中旋涂纳米二氧化硅颗粒的过程示意图；

[0018] 图2a是本发明基于自组装工艺的高质量单晶金刚石生长方法中旋涂完的单晶金刚石衬底的主视图，图2b是图2a的俯视图；

[0019] 图3是本发明基于自组装工艺的高质量单晶金刚石生长方法的二氧化硅颗粒层自断裂示意图；

[0020] 图4是本发明基于自组装工艺的高质量单晶金刚石生长方法的金刚石在同质生长阶段示意图；

[0021] 图5是本发明基于自组装工艺的高质量单晶金刚石生长方法的金刚石在二氧化硅颗粒上横向生长阶段位错生长示意图；

[0022] 图6是本发明基于自组装工艺的高质量单晶金刚石生长方法中生长完成的表面光滑的单晶金刚石连续薄膜示意图。

[0023] 图中，101.单晶金刚石衬底，102.二氧化硅颗粒，103.分散液，104.裸露的金刚石衬底表面，105.二氧化硅颗粒层，106.单晶金刚石薄膜，107.位错。

具体实施方式

[0024] 下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

[0025] 本发明提供了一种基于自组装工艺的高质量单晶金刚石生长方法，利用自组装工艺在单晶金刚石衬底形成一层二氧化硅颗粒，二氧化硅颗粒层自断裂使得金刚石衬底表面部分裸露，然后采用CVD的方法在单晶金刚石衬底上进行外延生长，最终生长出低位错、高质量、表面光滑的单晶金刚石薄膜。

[0026] 作为衬底的金刚石可以是天然金刚石，也可以是人造金刚石，但必须是单晶金刚石。在单晶金刚石衬底中，有不同的晶面(100)、晶面(111)等，在晶面处还可以存在倾斜角。

[0027] 步骤一、将纳米二氧化硅分散到酒精、异丙醇或者丙酮溶液中；

[0028] 二氧化硅纳米颗粒，其直径尺寸范围为200nm～3μm，将二氧化硅颗粒分散到酒精、异丙醇或丙酮当中，制得二氧化硅分散液。同时，通过超声清洗机对分散液进行超声处理，来保证二氧化硅颗粒均匀分散。

[0029] 步骤二、将二氧化硅分散液滴到单晶金刚石衬底表面，通过旋涂的方法在单晶金刚石衬底表面均匀分散，形成紧密排列的二氧化硅颗粒层。

[0030] 具体方法为：利用匀胶机在金刚石衬底表面均匀旋涂纳米二氧化硅分散液，通过调节分散液浓度和旋涂速度，获得在金刚石衬底表面均匀紧密排列的单层纳米二氧化硅颗粒。

[0031] 如图1，将二氧化硅颗粒102均匀分散到酒精、异丙醇或者丙酮溶液中制得分散液103，再将分散液103滴到单晶金刚石衬底101的表面，通过旋涂使二氧化硅颗粒102均匀分散。如图2a和图2b，通过旋涂，在单晶金刚石衬底101表面形成均匀紧密排列的二氧化硅颗粒102。

[0032] 步骤三、通过反应离子微刻蚀单晶金刚石衬底101表面的纳米二氧化硅层，二氧化硅纳米颗粒102由于刻蚀作用变小，但是由于颗粒自聚集作用，紧密排列发生自断裂，形成自断裂的二氧化硅掩膜，最终单晶金刚石衬底101的表面部分裸露。

[0033] 如图3，由于反应离子刻蚀，二氧化硅颗粒102的尺寸减小，同时颗粒自聚集作用形成断裂的二氧化硅颗粒层105，最终部分区域金刚石衬底表面裸露104。

[0034] 步骤四、通过在裸露的单晶金刚石衬底表面104上进行金刚石同质外延生长，并在二氧化硅粒层105上进行金刚石横向生长，最终在单晶金刚石衬底101上生长出单晶金刚石薄膜106。

[0035] 单晶金刚石同质外延生长采用CVD方法。单晶金刚石衬底101自组装准备完成之后，采用微波等离子体CVD设备，在图形化的单晶金刚石衬底101上裸露金刚石衬底表面104外延生长单晶金刚石薄膜，二氧化硅粒层105即为掩膜，再在二氧化硅掩膜上进行横向生长，从而获得低位错、高质量的单晶金刚石薄膜106。本方法用于降低CVD生长单晶金刚石位错密度，改善CVD金刚石薄膜质量。

[0036] 在单晶金刚石衬底自组装准备完成之后，采用CVD生长方法，在同质外延生长区域104生长出金刚石薄膜后，在该薄膜侧面进行横向生长，从而获得低位错、高质量的单晶金刚石薄膜106，如图6所示，测定的横向生长速率约为5μm/h，纵向外延速率约为3μm/h。其中图4、图5为横向生长过程中的位错延伸示意图，可以看到位错107在同质外延区域沿着生长方向由衬底向上延伸，当生长越过二氧化硅颗粒层105时，发生横向生长过程，此时位错107沿横向进行，最终生长出相比衬底位错密度降低的单晶金刚石薄膜106。如果采用微波等离子体CVD设备来进行外延生长时，其生长条件为：功率3200W，气体流量H2/CH4＝490sccm/
10sccm,反应压强16kPa。

[0037] 如图4，裸露的金刚石衬底表面104上方同质生长金刚石，如图5，金刚石继 续在断裂的二氧化硅颗粒层105上方进行横向生长，横向生长部分位错密度降低，最终生长出低位错、高质量、表面光滑的单晶金刚石薄膜106。

[0038] 本发明基于自组装工艺的高质量单晶金刚石生长方法利用自组装工艺准备用于横向生长方法的单晶金刚石衬底101，将二氧化硅颗粒分散液103滴到单晶金刚石衬底101表面，通过采用旋涂的方法在单晶金刚石衬底101表面均匀分散；采用反应离子刻蚀衬底表面的纳米二氧化硅，由于纳米颗粒的团聚，形成自断裂的二氧化硅掩膜，使得金刚石衬底表面部分裸露，获得用于横向生长方法的单晶金刚石衬底。然后利用金刚石同质外延生长技术在表面生长出低位错、高质量、表面光滑的单晶金刚石薄膜106。

[0039] 本发明公开了一种基于自组装工艺的高质量单晶金刚石生长方法，包括步骤一、将纳米二氧化硅颗粒分散到酒精、异丙醇或者丙酮溶液中；步骤二、将分散液滴到单晶金刚石衬底表面，通过旋涂的方法在单晶金刚石衬底表面均匀分散；步骤三、通过反应离子刻蚀技术刻蚀衬底表面的纳米二氧化硅，形成自断裂的二氧化硅掩膜，使得金刚石衬底表面部分裸露；步骤四、通过在裸露的金刚石衬底表面进行金刚石同质外延生长，并在二氧化硅掩膜上进行金刚石横向生长。结合自组装工艺和横向生长方法，对于现有的单晶金刚石同质外延生长技术进行改进。自组装工艺，简化了制备用于横向生长的金刚石衬底的工艺，降低制备横向生长衬底的难度和成本，能够简单有效地制备横向生长的衬底，横向生长方法被用于半导体生长过程中位错密度的减少。因此，本发明能够有效的生长出位错密度低、质量高、表面光滑的单晶金刚石薄膜，降低了外延生长电子器件级单晶金刚石薄膜的难度，提高了薄膜质量。