[发明专利]基于自组装工艺的高质量单晶金刚石生长方法

说明书

技术领域

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

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。

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。

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

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。

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：

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。

进一步的，步骤一中二氧化硅纳米颗粒的直径为200nm～3μm。

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。

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。

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。

进一步的，单晶金刚石薄膜为单晶金刚石连续膜。

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

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；

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；