[论文解读] High crystalline quality single crystal CVD diamond

P. M. Martineau, Mike Gaukroger+8 more|ArXiv.org|Sep 7, 2009

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 1被引用 4

一句话总结

本论文通过选择性使用生长晶面并结合后处理的高温高压（HPHT）处理，最小化扩展缺陷，在IIa型HPHT合成衬底上实现了高结晶质量单晶化学气相沉积（CVD）金刚石的外延生长。X射线轮廓分析与缺陷分布图显示，<100>晶面的位错和堆垛层错密度显著低于<111>晶面，从而实现了适用于先进电子与量子应用的超低缺陷密度金刚石。

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.

研究动机与目标

• 开发一种制备高结晶完整度与可控点缺陷的单晶CVD金刚石的方法。
• 识别并最小化在HPHT合成金刚石衬底上CVD外延生长过程中产生的扩展缺陷，特别是位错与堆垛层错。
• 理解HPHT生长的IIa型金刚石中缺陷含量对生长晶面的依赖性。
• 通过优化衬底选择与处理工艺，实现低缺陷CVD金刚石的外延生长，以满足高性能应用需求。

提出的方法

• 在高温高压（HPHT）合成的IIa型金刚石衬底上进行同质外延化学气相沉积（CVD）生长。
• 利用X射线轮廓分析法对CVD/衬底界面处的位错密度与分布进行测绘。
• 采用光致发光成像与双折射显微镜评估不同生长晶面中堆垛层错与位错的含量。
• 将缺陷含量与生长晶面取向相关联，特别比较<111>与<100>晶面的差异。
• 在合成后施加HPHT处理，以减少堆垛层错面积并诱导位错在金刚石晶格中的运动。
• 基于对HPHT生长晶面发育与缺陷演化机制的理解，指导衬底的选择。

实验结果

研究问题

• RQ1 HPHT生长的IIa型金刚石不同生长晶面之间的扩展缺陷密度如何变化？
• RQ2 HPHT处理是否能有效减少合成金刚石中的堆垛层错面积并改变位错分布？
• RQ3 在使用高质量HPHT衬底时，CVD/衬底界面处的位错成核密度是多少？
• RQ4 通过选择特定衬底生长晶面，CVD生长金刚石的结晶完整度可提升至何种程度？
• RQ5 衬底选择与后处理HPHT处理相结合，如何提升CVD金刚石的质量？

主要发现

• 当使用高质量IIa型HPHT衬底时，CVD/衬底界面处的位错成核密度低于400 cm⁻²。
• <111>生长晶面表现出最高的堆垛层错与位错浓度，而<100>晶面则显示出显著更低的缺陷密度。
• 光致发光与双折射显微镜分析证实，<100>晶面相比<111>晶面更少含有扩展缺陷。
• HPHT处理显著减少了堆垛层错的面积，并诱导了金刚石晶格中位错的移动。
• 结合选择<100>晶面与后处理HPHT处理，成功实现了高结晶完整度与低缺陷含量的CVD金刚石。
• 本研究建立了HPHT生长晶面形成与缺陷分布之间的明确关联，为高质量CVD金刚石的靶向衬底选择提供了依据。