[논문 리뷰] High crystalline quality single crystal CVD diamond

P. M. Martineau, Mike Gaukroger외 8명|ArXiv.org|2009. 09. 07.

Diamond and Carbon-based Materials Research참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 고정밀 단일결정 CVD 다이아몬드를 고순도 HPHT 합성 기반으로 성장시키기 위해 고정밀 <100> 성장 영역을 선택적으로 사용하고 후처리 HPHT 처리를 통해 고장치 결함을 최소화함으로써, 고결정성 품질의 단일결정 CVD 다이아몬드 성장에 성공하였다. X선 투과도 및 결함 지ap은 <100> 영역에서 <111> 영역보다 고분열 및 적층 결함 밀도가 현저히 낮음을 확인하였으며, 이는 고성능 전자 및 양자 응용 분야에 적합한 초저결함 밀도 다이아몬드의 제조를 가능하게 하였다.

ABSTRACT

Homoepitaxial chemical vapour deposition (CVD) on high pressure high temperature (HPHT) synthetic diamond substrates allows production of diamond material with controlled point defect content. In order to minimize the extended defect content, however, it is necessary to minimize the number of substrate extended defects that reach the initial growth surface and the nucleation of dislocations at the interface between the CVD layer and its substrate. X-ray topography has indicated that when type IIa HPHT synthetic substrates are used the density of dislocations nucleating at the interface can be less than 400 cm-2. X-ray topography, photoluminescence imaging and birefringence microscopy of HPHT grown synthetic type IIa diamond clearly show that the extended defect content is growth sector dependent. &lt;111&gt; sectors contain the highest concentration of both stacking faults and dislocations but &lt;100&gt; sectors are relatively free of both. It has been shown that HPHT treatment of such material can significantly reduce the area of stacking faults and cause dislocations to move. This knowledge, coupled with an understanding of how growth sectors develop during HPHT synthesis, has been used to guide selection and processing of substrates suitable for CVD synthesis of material with high crystalline perfection and controlled point defect content.

연구 동기 및 목표

• 고결정성 완전도와 제어된 점 결함을 갖춘 단일결정 CVD 다이아몬드를 제조하는 방법을 개발하기 위해.
• HPHT 합성 다이아몬드 기반에서 CVD 성장 중 연장된 결함—특히 고분열 및 적층 결함—을 식별하고 최소화하기 위해.
• HPHT 성장한 타입 IIa 다이아몬드에서 성장 영역에 따른 결함 농도의 의존성을 이해하기 위해.
• 고성능 응용을 위한 저결함 CVD 다이아몬드 성장을 가능하게 하기 위해 기반 선택 및 가공 최적화를 위해.

제안 방법

• 고압 고온(HPHT) 합성 타입 IIa 다이아몬드 기반에서 동질성 화학기상증착(CVD)을 수행하였다.
• CVD/기반 인터페이스의 고분열 밀도 및 분포를 맵핑하기 위해 X선 투과도를 사용하였다.
• <111> 및 <100> 영역 간 비교를 통해 다양한 성장 영역에서의 적층 결함 및 고분열 농도를 평가하기 위해 광발광 영상 및 이방성 현미경을 활용하였다.
• 특히 <111> 및 <100> 영역 간 비교를 통해 성장 영역 방향에 따른 결함 농도와의 상관관계를 분석하였다.
• 합성 후 HPHT 처리를 통해 적층 결함 면적을 감소시키고 고분열 이동을 유도하였다.
• HPHT 성장 영역 발달 및 결함 진화 이해를 바탕으로 기반 선택을 이행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HPHT 성장한 타입 IIa 다이아몬드의 다양한 성장 영역 간 연장된 결함 농도는 어떻게 달라지나?
• RQ2 HPHT 처리가 합성 다이아몬드에서 적층 결함 면적을 효과적으로 감소시키고 고분열 분포를 수정할 수 있는가?
• RQ3 고품질 HPHT 기반을 사용할 경우 CVD/기반 인터페이스에서 고분열 핵형성 밀도는 얼마인가?
• RQ4 특정 성장 영역을 선택함으로써 CVD 성장 다이아몬드의 고결정성 완전도는 어느 정도 향상될 수 있는가?
• RQ5 기반 선택과 후처리 HPHT 처리의 조합이 CVD 다이아몬드 품질을 어떻게 향상시키는가?

주요 결과

• 고품질 타입 IIa HPHT 기반을 사용할 경우 CVD/기반 인터페이스에서 고분열 핵형성 밀도가 400 cm⁻² 이하로 측정되었다.
• <111> 성장 영역은 적층 결함 및 고분열 둘 다 가장 높은 농도를 보였고, <100> 영역은 현저히 낮은 결함 농도를 보였다.
• 광발광 및 이방성 현미경 분석을 통해 <100> 영역는 <111> 영역에 비해 연장된 결함이 상대적으로 적은 것으로 확인되었다.
• HPHT 처리를 통해 적층 결함 면적이 현저히 감소하였고, 다이아몬드 격자 내 고분열 이동이 유도되었다.
• <100> 영역 선택과 후처리 HPHT 처리의 조합을 통해 고결정성 완전도와 낮은 결함 농도를 갖는 CVD 다이아몬드 제조가 가능해졌다.
• 이 연구는 HPHT 성장 영역 형성과 결함 분포 간의 명확한 연관성을 규명하여 고품질 CVD 다이아몬드를 위한 타겟 기반 선택 전략을 가능케 하였다.