革新金刚石生长:液态微波等离子体技术助力N型掺磷多晶金刚石生长

DT半导体材料 2024-10-28 18:06

金刚石具有许多优异的性能,例如最高的硬度、高导热性和耐磨性。虽然纯金刚石是一种绝缘材料,但其导电性可以通过掺杂杂质来控制。硼掺杂表现出P型(受体水平:0.37eV)特性,而磷掺杂表现出N型(供体水平:0.57eV)特性。这些掺杂金刚石具有宽带隙和高介电击穿电压,使其在电子设备应用中得到了广泛的研究。化学气相沉积(CVD)是将杂质掺杂到金刚石晶格中最有前途的技术。事实上,P型掺硼金刚石(BDD)已经成功掺杂,使用CVD从半导体过渡到超导体。人们不仅积极研究BDD用于电子器件,在电极中也被积极研究。

另一方面,由于供体水平的深度,N型磷掺杂金刚石(PDD)面临着磷掺杂效率低的挑战。然而,已经发现PDD表现出优异的电化学性能,使其非常适合电极应用,包括二氧化碳还原,类似于BDD。目前的CVD技术使用微波等离子体和热丝方法合成PDD。Kato等人使用等离子体增强CVD技术,从CH₄/H₂ =1%,PH₃/CH₄ = 100%的源气体中合成了[P]=5×1020cm⁻³ 的纳米晶金刚石(NCD)。Katamune 等人使用热丝CVD合成了 [P]=1.2×1020cm⁻³ 的多晶金刚石薄膜。然而,这些方法导致生长速率非常慢,通常为1μm/h。由于成本高、磷掺杂效率低,PDD 的应用与其巨大潜力相比受到限制。因此,开发一种高磷浓度金刚石高速生长的技术非常重要。

近年来,液态微波等离子体CVD(IL-MPCVD)作为一种高增长率的CVD技术引起了人们的关注。IL-MPCVD 以在醇液体中微波加热产生的气相等离子体为原料合成金刚石。据报道,使用这种方法处理甲醇(MeOH)和乙醇(EtOH)的混合物具有非常高的生长速率。与传统 CVD 相比,IL-MPCVD 的优势在于,它可以在更高的压力和更低的功率水平下产生高密度等离子体。因此,IL-MPCVD 具有替代传统CVD高效合成金刚石的巨大潜力。Toyota 等人使用 IL-MPCVD 成功地从甲醇和乙醇等有机溶剂中以192μm/h的速度生长出非掺杂金刚石。在我们的实验室中,我们还实现了不同硼浓度的BDD薄膜的高生长率。Harada 等人报道,硼浓度为7×1021cm⁻³ 的BDD可在287μm/h速度下合成。我们之前的研究表明,通过提高反应器压力、微波功率和优化溶剂成分,BDD增长率可以达到410μm/h,比传统 CVD高两个数量级。

IL-MPCVD有可能成为一项很有前途的技术,可以同时实现PDD的高掺杂和高速生长。然而,尚未报道使用IL-MPCVD合成PDD。在这里,使用IL-MPCVD在高压(60kPa)和低功率水平(440W)下实现了多晶PDD的高速合成(280μm/h)。

   具体实验

使用自制的IL-MPCVD系统合成PDD薄膜。该设备主要由2.45 GHz微波发生器、波导、钨天线(φ3mm)、反应器(φ100×120mm)、基板支架、压力表和真空泵组成。液体被倒入反应器中,微波从位于反应器底部的天线发射到液体中。当基板靠近天线时会产生等离子体。反应器中的压力由真空泵控制。使用单晶硅(100)衬底(尺寸:10×10×0.5mm³)。用乙醇和丙酮超声清洗Si衬底 10min,然后在含有 0.25μm 金刚石粉的纯水中超声处理1h。IL-MPCVD系统可以在60kPa压力和440W 功率水平下产生高密度等离子体,与传统的MPCVD系统相比,这是相对较高的压力和低功率。由于CVD发生在液体环境中,因此不需要特殊的基底冷却系统,并且所有样品的沉积温度都保持相对恒定。然而,这种液体环境使得很难精确测量准确的温度。酒精被用作钻石的前体,甲醇-乙醇混合物是钻石的生长源。

   结论

在高压(60kPa)和低功率(440W)条件下,利用液内微波等离子体化学气相沉积(IL-MPCVD)成功制备出了高生长速率的掺磷金刚石(PDD)。在甲醇和乙醇混合物中合成了不同P/C原子比的各种样品,P/C原子比从1000ppm 到 10,000ppm 不等。使用激光显微镜和拉曼光谱对沉积样品进行评估后发现,随着磷浓度的增加,金刚石晶体尺寸和结晶度都有所下降。在本研究的条件下,多晶PDD的生产速度为 280μm/h,比传统的标准CVD工艺高出两个数量级。循环伏安法测量结果显示,导电金刚石电极具有较宽的电位窗口(3.1V)。高速(280μm/h)生长的 PDD 的供体密度为3.8×1017cm⁻³

因此,IL-MPCVD适用于制造多晶PDD的高生长速率CVD工艺。今后,通过深入研究影响磷在金刚石中掺入的晶体取向、生长速率和原材料溶剂等生长参数,有可能在磷浓度增加的情况下实现更高的PDD生长速率。

   第八届国际碳材料大会暨产业展览会

金刚石前沿应用及产业发展论坛 

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第八届国际碳材料大会暨产业展览会(Carbontech 2024),将于12月5-7日在上海新国际展览中心召开。

近年来,金刚石功能化器件在多个领域的重要性日益凸显,尤其在芯片行业中,金刚石的应用前景备受瞩目,其商业化应用已近在眼前。金刚石在芯片(芯)、热管理(热)、光学(光)和存储(储)等多功能领域的应用,已经成为行业关注的焦点。面对这一趋势,如何推动金刚石的产业化进程如何通过创新来更新换代金刚石产品,并结合新的应用场景来开拓新的市场空间,成为了亟待解决的问题。

为了应对这些挑战,Carbontech 2024金刚石前沿应用及产业发展论坛将对金刚石产业的现状进行深入分析。论坛涉及三大主题:金刚石产业现状与趋势、金刚石生长与前沿应用、热管理应用及产业化解决方案。论坛将聚焦于当前热管理应用中的难题,并探讨可能的解决方案。此外,论坛还将探索金刚石在“芯+热+光+储”等前沿领域的功能化应用,以期发现并解锁其在这些领域中的潜力和可能性。通过这些讨论,论坛旨在为金刚石行业的创新发展提供思路,推动行业的持续进步和市场的扩展。

同期,展会将会针对金刚石及其功能化应用主题、半导体超精密加工设置10000㎡专题展区,将展示最新金刚石晶圆、量子钻石、热沉金刚石等功能化产品及相关器件,欢迎莅临现场交流、合作。

     /让专业的人相聚,共同陪伴中国金刚石产业发展/  

Carbontech 2024 W1馆部分参展企业:

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