基于自組裝工藝的高質量單晶金剛石生長方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于金剛石化學氣相沉積技術領域，涉及基于自組裝工藝的高質量單晶金剛石生長方法。
【背景技術】
[0002]第三代半導體材料如金剛石、GaN和SiC都是國內外近年來研宄的熱點，但是金剛石表現出比GaN和SiC更優越的半導體性能。金剛石禁帶寬度、臨界擊穿電場強度、載流子的飽和漂移速率以及迀移率都非常大，介電常數非常小，特別適用于高頻、高壓、高功率等電子器件。它集力學、電學、熱學、聲學、光學、耐蝕等優異性能于一身，是目前最有發展前途的半導體材料，在微電子、光電子、生物醫學、機械、航空航天、核能等高新技術領域中可望具有極佳的應用前景。高質量的金剛石薄膜是從事金剛石研宄以及金剛石應用的基礎。近年來，由于化學氣相沉積(CVD)金剛石薄膜的制備取得了令人矚目的進展，從而使得其優異特性得到了多方面的應用，比如目前報道已經制備出擊穿場強高達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體薄膜，依然具有較高的位錯密度。而半導體薄膜中較高的位錯密度會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密度增加時將引起肖特基二極管漏電流增大，導致金剛石肖特基二極管的耐壓性能下降。因此，獲得高質量單晶金剛石薄膜依然是當前需要解決的問題。
[0004]眾所周知，襯底的位錯可以向外延生長薄膜中延伸。而橫向生長方法在II1-V族半導體薄膜制備中被證明能夠有效抑制襯底位錯向外延生長薄膜中延伸，來減少外延層位錯密度。具體辦法是在襯底上生長出II1-V族半導體的成核層，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，進而，經過在該窗口的外延生長加上掩膜上的橫向生長，最終獲得連續光滑的II1-V族半導體薄膜。此外，自組裝工藝在II1-V族半導體廣泛應用，用于簡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體表面均勻分散，然后采用反應離子刻蝕(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體表面部分裸露的掩膜。將這兩種方法應用于單晶金剛石生長，可以有效的改善單晶金剛石生長質量，獲得高質量的單晶金剛石薄膜，目前尚無將這兩種方法結合用于提高單晶金剛石質量的報道。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是提供一種基于自組裝工藝的高質量單晶金剛石生長方法，以解決現有采用同質外延生長法制備金剛石薄膜質量偏低的問題。
[0006]本發明所采用的技術方案是，基于自組裝工藝的高質量單晶金剛石生長方法，按照以下步驟實施:
[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，通過旋涂使其在單晶金剛石襯底表面均勻分散；
[0009]步驟三、通過反應離子刻蝕技術，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、通過在裸露的單晶金剛石襯底表面進行金剛石同質外延生長，并在二氧化硅掩膜上進行金剛石橫向生長，即在襯底上生長出單晶金剛石薄膜。
[0011]進一步的，步驟一中二氧化娃納米顆粒的直徑為200nm?3μηι。
[0012]進一步的，步驟二的具體方法為將分散液滴到金剛石襯底表面，利用勻膠機在金剛石襯底表面均勻旋涂納米二氧化硅分散液，通過調節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]進一步的，步驟三通過反應離子刻蝕技術對納米二氧化硅顆粒層進行輕微刻蝕，形成部分區域裸露單晶金剛石襯底表面的二氧化硅顆粒層。
[0014]進一步的，步驟四中，采用CVD設備進行單晶金剛石同質外延生長，其生長條件為:功率3200W，反應壓強16kPa，通入氣體流量H2/CH4 = 490sccm/10sccm。
[0015]進一步的，單晶金剛石薄膜為單晶金剛石連續膜。
[0016]本發明的有益效果是，結合橫向生長方法以及自組裝工藝，對于現有的單晶金剛石同質外延生長技術進行改進，能夠有效的生長出位錯密度低、質量高、表面光滑的單晶金剛石薄膜，降低了外延生長電子器件級單晶金剛石薄膜的難度，提高了薄膜質量。
【附圖說明】
[0017]圖1是本發明基于自組裝工藝的高質量單晶金剛石生長方法中旋涂納米二氧化硅顆粒的過程示意圖；
[0018]圖2a是本發明基于自組裝工藝的高質量單晶金剛石生長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是本發明基于自組裝工藝的高質量單晶金剛石生長方法的二氧化硅顆粒層自斷裂示意圖；
[0020]圖4是本發明基于自組裝工藝的高質量單晶金剛石生長方法的金剛石在同質生長階段示意圖；
[0021]圖5是本發明基于自組裝工藝的高質量單晶金剛石生長方法的金剛石在二氧化硅顆粒上橫向生長階段位錯生長示意圖；
[0022]圖6是本發明基于自組裝工藝的高質量單晶金剛石生長方法中生長完成的表面光滑的單晶金剛石連續薄膜示意圖。
[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。
【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明進行詳細說明。
[0025]本發明提供了一種基于自組裝工藝的高質量單晶金剛石生長方法，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行外延生長，最終生長出低位錯、高質量、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、異丙醇或丙酮當中，制得二氧化硅分散液。同時，通過超聲清洗機對分散液進行超聲處理，來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:利用勻膠機在金剛石襯底表面均勻旋涂納米二氧化硅分散液，通過調節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，