[发明专利]一种高速高质量单晶金刚石的生长方法

说明书

本发明公开了一种单晶金刚石的生长方法，该方法包括：在衬底表面生长金刚石支撑层；在金刚石支撑层表面生长中间缺陷阻挡层；以及在中间缺陷阻挡层表面生长金刚石表面层。该方法在衬底上生长一层厚的金刚石支撑层，金刚石支撑层以较高的生长速率生长；在金刚石支撑层上生长一层中间缺陷阻挡层，中间缺陷阻挡层采用台阶生长模式阻碍金刚石中的缺陷向表面处延伸；在中间缺陷阻挡层上生长一层金刚石表面层，金刚石表面层采取优化过的生长条件，以较低的生长速率得到高质量的金刚石表面层，这种生长方法通过三层结构来生长高质量单晶金刚石。本发明解决了传统金刚石生长过程中外延层高的生长速率与外延层质量之间相矛盾的问题。

技术领域

本发明涉及薄膜与晶体生长技术领域，涉及一种单晶金刚石材料外延生长方法，特别涉及一种高速、高质量单晶金刚石的生长方法。

背景技术

半导体金刚石是一种优秀的半导体材料，拥有宽的禁带宽度，很高的室温电子和空穴迁移率，很高的击穿电场强度，以及极高的热导率和相对较低的介电常数，可以说是终极半导体。半导体金刚石优良的性质使得它在高温、高频、大功率电子器件和深紫外发光二极管以及探测器等方面有着很大的应用潜力，同时它还可以应用于电化学和生物传感器以及固态量子计算。

目前已经制备的金刚石器件包括肖特基势垒二极管、场效应晶体管、深紫外发光二极管、高能粒子探测器、电化学和生物传感器等。高质量的单晶金刚石材料是这些应用的基础。金刚石生长采用的是等离子体化学汽相沉积法。等离子体化学汽相沉积法，将气体电离变成等离子体，更有利于金刚石外延层的生长。采用等离子体化学汽相沉积法能够更有效的生长金刚石。

高质量的单晶金刚石是金刚石材料应用的基础，如何实现高速、高质量单晶金刚石生长对于金刚石材料的发展有着重要的意义。但是在单晶金刚石生长过程中，当金刚石外延层的生长速率比较高时，得到的金刚石外延层往往会出现质量差、缺陷多、光学和电学性质不好等问题；而同时高质量的金刚石的生长速率一般都比较慢，这就导致高质量单晶金刚石的生长效率太低不利于金刚石的发展，因此有必要提出新的方法来解决高速、高质量的生长金刚石。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种高速高质量生长单晶金刚石的方法，以解决单晶金刚石高速生长与高质量生长相矛盾的难题。

为达到上述目的，本发明提供了一种单晶金刚石的生长方法，该方法包括：在衬底表面生长金刚石支撑层；在金刚石支撑层表面生长中间缺陷阻挡层；以及在中间缺陷阻挡层表面生长金刚石表面层。

上述方案中，所述在衬底表面生长金刚石支撑层的步骤中，采用外延的方式生长金刚石支撑层，金刚石支撑层的厚度在100μm～600μm内。

上述方案中，所述在衬底表面生长金刚石支撑层的步骤中，不添加氮气而采用高微波功率、高生长气压、高甲烷浓度来实现金刚石支撑层的高速生长，微波功率为2～5kW，生长气压为200～300torr，氢气流量在200～600sccm之间，甲烷浓度在8％～12％之间，衬底温度保持在900℃～1200℃之间，金刚石支撑层的生长速率为50～80μm/h。

上述方案中，所述衬底采用金刚石、硅、石墨烯或碳化硅，所述衬底与(100)面的晶面偏向角在0.5°～5°之间；所述在衬底表面生长金刚石支撑层的步骤中，衬底基座采用凹槽结构，衬底位于衬底基座凹槽中心位置。

上述方案中，所述在衬底表面生长金刚石支撑层之前，还包括：通过强酸溶液和有机溶剂去除衬底表面的金属和有机杂质，然后利用氮气吹扫干燥。

上述方案中，所述在金刚石支撑层表面生长中间缺陷阻挡层之前，还包括：对金刚石支撑层表面进行等离子体刻蚀，通过等离子体刻蚀金刚石支撑层表面，去除金刚石支撑层表面的缺陷。

上述方案中，所述在金刚石支撑层表面生长的中间缺陷阻挡层的步骤中，采用的生长模式为台阶生长模式，通过优化台阶生长模式，即提高金刚石台阶密度，减小金刚石的台阶宽度，来阻挡缺陷向金刚石表面延伸。