甲烷浓度和晶向偏离角对金刚石单晶生长影响的研究

【摘要】：金刚石具有硬度大、热导率高、热膨胀系数小等优异特性。在国防巩固、工业生产、科学技术等多个领域中都有广泛的应用。一直以来，制备高品质的金刚石是科研人员所关注的焦点问题，近些年金刚石单晶的研究更是备受瞩目，高速率生长高品质的金刚石单晶成为了人们共同追求的目标。 本论文采用MPCVD方法，选取3×3mm2的HTHP（100）单晶金刚石为籽晶，进行单晶制备。发现氧气对金刚石单晶生长有明显的影响，对样品进行Raman、PL光谱测试，结果表明氧气可以抑制非金刚石相的生成，提高单晶金刚石的结晶质量，同时降低了单晶的生长速率。在生长过程中，固定其它生长条件不变，探究甲烷浓度对金刚石单晶生长的影响，随着甲烷浓度的增加，等离子体中分解出的含碳基团增加，生长速率增大。PL测试结果表明通入不同流量的甲烷会影响CVD金刚石中氮的浓度。随着甲烷浓度的增加，外延层厚度的增厚，晶体内N原子逐渐积累，氮含量呈增加的趋势。但当甲烷浓度为10%时，含碳基团增多，单晶生长速率加快，氮的扩散速度相对降低，外延层中氮含量下降。由SEM和金相显微表面观察可知，随甲烷浓度的增大台阶密度增加。但甲烷浓度增加至10%时，N含量降低，晶体内杂质减少，结晶质量有所提升，台阶密度减少。 晶向偏离角对高速率高品质金刚石单晶的生长有一定的影响。在生长前，将籽晶表面分别抛光成与籽晶[100]方向成0°、1.72°、2.63°、3.95°偏离角。实验发现，偏离角为3.95°的样品生长速率最快，结晶质量最好，说明偏离角的引入提高了单晶的外延生长速率。加入0.5sccm氮气后，发现偏离角为0°时，生长速率有所提高，但偏离角为3.89°时，生长速率无明显提高。 【关键词】：金刚石单晶 氧气 甲烷浓度 off-axis
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ163;O78
【目录】：

• 中文摘要4-5
• Abstract5-7
• 目录7-9
• 第一章 绪论9-22
• 1.1 人工合成金刚石技术的发展9-10
• 1.2 金刚石的基本结构10
• 1.3 金刚石的类型10-11
• 1.4 金刚石的性质及其相应的应用11-13
• 1.4.1 力学、声学性质及相应的应用11-12
• 1.4.2 热学性质及应用12
• 1.4.3 光学性质及应用12-13
• 1.4.4 电学、化学性质及相应的应用13
• 1.4.5 其他性质及相应的应用13
• 1.5 化学气相沉积 CVD 法13-15
• 1.5.1 MPCVD 法的过程与原理14
• 1.5.2 CVD 金刚石过程中各基团之间的反应14-15
• 1.6 CVD 金刚石单晶晶体缺陷类型15-17
• 1.6.1 点缺陷15-16
• 1.6.2 线缺陷16-17
• 1.6.3 面缺陷和体缺陷17
• 1.7 CVD 过程中影响金刚石单晶生长的主要参数17-20
• 1.7.1 籽晶衬底的预处理的作用17-18
• 1.7.2 偏离角的作用18-19
• 1.7.3 沉积温度的作用19
• 1.7.4 N_2的作用19-20
• 1.7.5 O_2的作用20
• 1.8 选题及主要研究内容20-22
• 第二章 金刚石单晶生长设备及表征技术22-24
• 2.1 本文的实验设备22-23
• 2.2 本文采用的表征方法23-24
• 2.2.1 金相显微镜23
• 2.2.2 光发射谱23
• 2.2.3 扫描电子显微镜23
• 2.2.4 激光拉曼光谱23
• 2.2.5 光致发光光谱23-24
• 第三章 甲烷浓度对金刚石单晶生长的影响24-37
• 3.1 引言24
• 3.2 O_2对金刚石单晶生长的影响24-27
• 3.2.1 实验条件24-25
• 3.2.2 O_2对生长速率的影响25
• 3.2.3 O_2对金刚石表面形貌的影响25-26
• 3.2.4 O_2对晶体质量的影响26-27
• 3.2.5 O_2对氮含量的影响27
• 3.3 CH_4浓度对金刚石单晶的生长影响27-35
• 3.3.1 实验条件28
• 3.3.2 CH_4浓度对生长速率的影响28-30
• 3.3.3 不同 CH_4浓度的 OES30-31
• 3.3.4 CH_4浓度对晶体质量的影响31-32
• 3.3.5 CH_4浓度对样品氮含量的影响32
• 3.3.6 CH_4浓度对金刚石表面形貌的影响32-35
• 3.4 本章小结35-37
• 第四章 晶向偏离角对金刚石单晶生长的影响37-42
• 4.1 引言37
• 4.2 实验条件37
• 4.3 off-axis 角对生长速率的影响37-38
• 4.4 off-axis 角对晶体质量的影响38-40
• 4.5 off-axis 角对表面形貌的影响40-41
• 4.6 本章小结41-42
• 第五章 全文总结42-44
• 参考文献44-50
• 作者简介50-51
• 致谢51

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