基于自組裝工藝的高質(zhì)量單晶金剛石生長(zhǎng)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于金剛石化學(xué)氣相沉積技術(shù)領(lǐng)域，涉及基于自組裝工藝的高質(zhì)量單晶金剛石生長(zhǎng)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]第三代半導(dǎo)體材料如金剛石、GaN和SiC都是國(guó)內(nèi)外近年來(lái)研宄的熱點(diǎn)，但是金剛石表現(xiàn)出比GaN和SiC更優(yōu)越的半導(dǎo)體性能。金剛石禁帶寬度、臨界擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度、載流子的飽和漂移速率以及迀移率都非常大，介電常數(shù)非常小，特別適用于高頻、高壓、高功率等電子器件。它集力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、耐蝕等優(yōu)異性能于一身，是目前最有發(fā)展前途的半導(dǎo)體材料，在微電子、光電子、生物醫(yī)學(xué)、機(jī)械、航空航天、核能等高新技術(shù)領(lǐng)域中可望具有極佳的應(yīng)用前景。高質(zhì)量的金剛石薄膜是從事金剛石研宄以及金剛石應(yīng)用的基礎(chǔ)。近年來(lái)，由于化學(xué)氣相沉積(CVD)金剛石薄膜的制備取得了令人矚目的進(jìn)展，從而使得其優(yōu)異特性得到了多方面的應(yīng)用，比如目前報(bào)道已經(jīng)制備出擊穿場(chǎng)強(qiáng)高達(dá)7.7MV/cm的金剛石基肖特基一極管。
[0003]但是單晶金剛石薄膜相比其他單晶半導(dǎo)體薄膜，依然具有較高的位錯(cuò)密度。而半導(dǎo)體薄膜中較高的位錯(cuò)密度會(huì)影響器件性能的提升，比如金剛石肖特基二極管在金剛石薄膜位錯(cuò)密度增加時(shí)將引起肖特基二極管漏電流增大，導(dǎo)致金剛石肖特基二極管的耐壓性能下降。因此，獲得高質(zhì)量單晶金剛石薄膜依然是當(dāng)前需要解決的問(wèn)題。
[0004]眾所周知，襯底的位錯(cuò)可以向外延生長(zhǎng)薄膜中延伸。而橫向生長(zhǎng)方法在II1-V族半導(dǎo)體薄膜制備中被證明能夠有效抑制襯底位錯(cuò)向外延生長(zhǎng)薄膜中延伸，來(lái)減少外延層位錯(cuò)密度。具體辦法是在襯底上生長(zhǎng)出II1-V族半導(dǎo)體的成核層，再在表面沉積一層掩膜，然后利用光刻等工藝在掩膜上形成窗口，露出成核層，進(jìn)而，經(jīng)過(guò)在該窗口的外延生長(zhǎng)加上掩膜上的橫向生長(zhǎng)，最終獲得連續(xù)光滑的II1-V族半導(dǎo)體薄膜。此外，自組裝工藝在II1-V族半導(dǎo)體廣泛應(yīng)用，用于簡(jiǎn)單高效的獲取表面掩膜。自組裝工藝的辦法為將納米顆粒材料用分散液分散，然后采用旋涂的方法在半導(dǎo)體表面均勻分散，然后采用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)使得均勻分散的納米顆粒層自斷裂，從而有效的獲得半導(dǎo)體表面部分裸露的掩膜。將這兩種方法應(yīng)用于單晶金剛石生長(zhǎng)，可以有效的改善單晶金剛石生長(zhǎng)質(zhì)量，獲得高質(zhì)量的單晶金剛石薄膜，目前尚無(wú)將這兩種方法結(jié)合用于提高單晶金剛石質(zhì)量的報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種基于自組裝工藝的高質(zhì)量單晶金剛石生長(zhǎng)方法，以解決現(xiàn)有采用同質(zhì)外延生長(zhǎng)法制備金剛石薄膜質(zhì)量偏低的問(wèn)題。
[0006]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，基于自組裝工藝的高質(zhì)量單晶金剛石生長(zhǎng)方法，按照以下步驟實(shí)施:
[0007]步驟一、將納米二氧化硅顆粒分散到酒精、異丙醇或者丙酮溶液中，制備得到納米二氧化娃分散液；
[0008]步驟二、將分散液滴到單晶金剛石襯底表面，通過(guò)旋涂使其在單晶金剛石襯底表面均勻分散；
[0009]步驟三、通過(guò)反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)，刻蝕單晶金剛石襯底表面的納米二氧化硅，形成自斷裂的二氧化硅掩膜，使單晶金剛石襯底表面部分裸露；
[0010]步驟四、通過(guò)在裸露的單晶金剛石襯底表面進(jìn)行金剛石同質(zhì)外延生長(zhǎng)，并在二氧化硅掩膜上進(jìn)行金剛石橫向生長(zhǎng)，即在襯底上生長(zhǎng)出單晶金剛石薄膜。
[0011]進(jìn)一步的，步驟一中二氧化娃納米顆粒的直徑為200nm?3μηι。
[0012]進(jìn)一步的，步驟二的具體方法為將分散液滴到金剛石襯底表面，利用勻膠機(jī)在金剛石襯底表面均勻旋涂納米二氧化硅分散液，通過(guò)調(diào)節(jié)分散液濃度和旋涂速度獲得在金剛石襯底表面均勻緊密排列的單層納米二氧化硅顆粒。
[0013]進(jìn)一步的，步驟三通過(guò)反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)對(duì)納米二氧化硅顆粒層進(jìn)行輕微刻蝕，形成部分區(qū)域裸露單晶金剛石襯底表面的二氧化硅顆粒層。
[0014]進(jìn)一步的，步驟四中，采用CVD設(shè)備進(jìn)行單晶金剛石同質(zhì)外延生長(zhǎng)，其生長(zhǎng)條件為:功率3200W，反應(yīng)壓強(qiáng)16kPa，通入氣體流量H2/CH4 = 490sccm/10sccm。
[0015]進(jìn)一步的，單晶金剛石薄膜為單晶金剛石連續(xù)膜。
[0016]本發(fā)明的有益效果是，結(jié)合橫向生長(zhǎng)方法以及自組裝工藝，對(duì)于現(xiàn)有的單晶金剛石同質(zhì)外延生長(zhǎng)技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，能夠有效的生長(zhǎng)出位錯(cuò)密度低、質(zhì)量高、表面光滑的單晶金剛石薄膜，降低了外延生長(zhǎng)電子器件級(jí)單晶金剛石薄膜的難度，提高了薄膜質(zhì)量。
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1是本發(fā)明基于自組裝工藝的高質(zhì)量單晶金剛石生長(zhǎng)方法中旋涂納米二氧化硅顆粒的過(guò)程示意圖；
[0018]圖2a是本發(fā)明基于自組裝工藝的高質(zhì)量單晶金剛石生長(zhǎng)方法中旋涂完的單晶金剛石襯底的主視圖，圖2b是圖2a的俯視圖；
[0019]圖3是本發(fā)明基于自組裝工藝的高質(zhì)量單晶金剛石生長(zhǎng)方法的二氧化硅顆粒層自斷裂示意圖；
[0020]圖4是本發(fā)明基于自組裝工藝的高質(zhì)量單晶金剛石生長(zhǎng)方法的金剛石在同質(zhì)生長(zhǎng)階段示意圖；
[0021]圖5是本發(fā)明基于自組裝工藝的高質(zhì)量單晶金剛石生長(zhǎng)方法的金剛石在二氧化硅顆粒上橫向生長(zhǎng)階段位錯(cuò)生長(zhǎng)示意圖；
[0022]圖6是本發(fā)明基于自組裝工藝的高質(zhì)量單晶金剛石生長(zhǎng)方法中生長(zhǎng)完成的表面光滑的單晶金剛石連續(xù)薄膜示意圖。
[0023]圖中，101.單晶金剛石襯底，102.二氧化硅顆粒，103.分散液，104.裸露的金剛石襯底表面，105.二氧化硅顆粒層，106.單晶金剛石薄膜，107.位錯(cuò)。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0025]本發(fā)明提供了一種基于自組裝工藝的高質(zhì)量單晶金剛石生長(zhǎng)方法，利用自組裝工藝在單晶金剛石襯底形成一層二氧化硅顆粒，二氧化硅顆粒層自斷裂使得金剛石襯底表面部分裸露，然后采用CVD的方法在單晶金剛石襯底上進(jìn)行外延生長(zhǎng)，最終生長(zhǎng)出低位錯(cuò)、高質(zhì)量、表面光滑的單晶金剛石薄膜。
[0026]作為襯底的金剛石可以是天然金剛石，也可以是人造金剛石，但必須是單晶金剛石。在單晶金剛石襯底中，有不同的晶面(100)、晶面(111)等，在晶面處還可以存在傾斜角。
[0027]步驟一、將納米二氧化硅分散到酒精、異丙醇或者丙酮溶液中；
[0028]二氧化硅納米顆粒，其直徑尺寸范圍為200nm?3 μ m，將二氧化硅顆粒分散到酒精、異丙醇或丙酮當(dāng)中，制得二氧化硅分散液。同時(shí)，通過(guò)超聲清洗機(jī)對(duì)分散液進(jìn)行超聲處理，來(lái)保證二氧化硅顆粒均勻分散。
[0029]步驟二、將二氧化硅分散液滴到單晶金剛石襯底表面，通過(guò)旋涂的方法在單晶金剛石襯底表面均勻分散，形成緊密排列的二氧化硅顆粒層。
[0030]具體方法為:利用勻膠機(jī)在金剛石襯底表面均勻旋涂納米二氧化硅分散液，通過(guò)調(diào)節(jié)分散液濃度和旋涂速度，獲得在金剛石襯底表面均勻緊密排列的單層納米二氧化硅顆粒。
[0031]如圖1，