碳化硅热解石墨烯衬底上异质外延金刚石的生长机制研究

Diamond is an ideal candidate material for devices of high-temperature, high-frequency, high-power and radiation-proof. However, the fabrication of single crystal diamond wafer with large size is still lacking, which restricts its further application. In this research, graphene fabricated by thermal decomposition of silicon carbide is chosen as substrate to study the growth mechanism of heteroepitaxial diamond. Compared with existing heteroepitaxy methods, diamond grown on graphene provides the following advantages: Firstly, graphene has a lattice mismatch of only 2% with diamond (111) plane, which favors the formation of a high quality epilayer. Secondly, the stress originating from lattice mismatch can be relieved through the relatively weak Van der Waals force between graphene layers if multilayer graphene is adopted. Finally, the unique step morphology of thermal decomposition graphene can realize pattern nucleation and growth of diamond. Epitaxial diamond will nucleate at the patterned step region and laterally overgrow on non-nucleated region, which is promising to reduce the dislocation density in epitaxial film. This study aims to improve understanding of diamond nucleation on graphene, which provides a new possible method for diamond heteroepitaxy toward the realization of large scale growth.

金刚石是制作高温、高频、大功率及抗辐照微电子器件的理想材料，但大尺寸单晶金刚石的生长一直未取得突破性进展，是严重制约其应用的关键因素之一。本项目采用碳化硅上的热解石墨烯作为衬底，开展异质外延金刚石的生长机理研究。该研究与现有的金刚石异质外延方法相比有如下优点：首先，石墨烯与金刚石（111）面的晶格失配仅有2%，有利于高质量外延层的获得；其次，若采用多层石墨烯，石墨烯层间较弱的范德华力更有利于缓解金刚石外延层与衬底间晶格失配引起的应力；最后，热解法石墨烯独特的台阶结构有可能导致金刚石的台阶状图形化成核，随后成核区域可发生侧向外延，有利于降低外延层中的位错密度。本项目旨在研究碳化硅热解石墨烯衬底上金刚石的生长机制，为金刚石的大尺寸异质外延生长提供可能的新途径。

金刚石具有众多优异的物理化学性质，在半导体领域有着巨大的应用潜力，但其应用受到材料制备的制约。本项目针对大尺寸金刚石外延难于制备的问题，选择较为成熟的碳化硅材料作为衬底，利用微波等离子体化学气相沉积法进行了外延金刚石的探索。由于石墨烯晶格与（111）晶面金刚石相近，制备过程中石墨烯被选为金刚石外延的中间层，项目实施过程中，主要进行了如下研究：.（1）研究了碳化硅表面石墨烯的性质。分析了热解法制备石墨烯的残留应力以避免晶格畸变对异质外延影响，结果表明较短的生长时间可有效降低残留应力，但同时可能导致应力分布的不均匀。.（2）分析了石墨烯在微波等离子体环境下的稳定性。为使石墨烯可作为中间层作用，需首先保证石墨烯不被等离子体刻蚀，研究了不同气氛、压力、功率等试验参数下石墨烯的稳定性，结果表明石墨烯在较高甲烷比例及低功率条件下受刻蚀作用较小。.（3）实现了利用微波等离子体原位制备石墨烯，通过石墨烯的原位制备的实现，抵消石墨烯受到的刻蚀作用，使得石墨烯处于近平衡状态。.（4）进行了微波等离子体成分的光谱学分析，通过对发射光谱的分析，获得了等离子体组分、温度等特性，对石墨烯制备刻蚀及金刚石生长过程提供理论指导。.（5）研究了金刚石的异质成核及生长。利用石墨烯作为缓冲层，可以在不使用偏压增强成核的条件下实现成核密度的提高。最终实现了金刚石在六方碳化硅衬底上的制备。.本项目为发展金刚石的异质外延提供了一种新的理论及实验方法，研究成果有利于促进大尺寸金刚石的制备及应用。