甲烷濃度和晶向偏離角對金剛石單晶生長影響的研究

【摘要】：金剛石具有硬度大、熱導(dǎo)率高、熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)異特性。在國防鞏固、工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)技術(shù)等多個領(lǐng)域中都有廣泛的應(yīng)用。一直以來，制備高品質(zhì)的金剛石是科研人員所關(guān)注的焦點(diǎn)問題，近些年金剛石單晶的研究更是備受矚目，高速率生長高品質(zhì)的金剛石單晶成為了人們共同追求的目標(biāo)。 本論文采用MPCVD方法，選取3×3mm2的HTHP（100）單晶金剛石為籽晶，進(jìn)行單晶制備。發(fā)現(xiàn)氧氣對金剛石單晶生長有明顯的影響，對樣品進(jìn)行Raman、PL光譜測試，結(jié)果表明氧氣可以抑制非金剛石相的生成，提高單晶金剛石的結(jié)晶質(zhì)量，同時降低了單晶的生長速率。在生長過程中，固定其它生長條件不變，探究甲烷濃度對金剛石單晶生長的影響，隨著甲烷濃度的增加，等離子體中分解出的含碳基團(tuán)增加，生長速率增大。PL測試結(jié)果表明通入不同流量的甲烷會影響CVD金剛石中氮的濃度。隨著甲烷濃度的增加，外延層厚度的增厚，晶體內(nèi)N原子逐漸積累，氮含量呈增加的趨勢。但當(dāng)甲烷濃度為10%時，含碳基團(tuán)增多，單晶生長速率加快，氮的擴(kuò)散速度相對降低，外延層中氮含量下降。由SEM和金相顯微表面觀察可知，隨甲烷濃度的增大臺階密度增加。但甲烷濃度增加至10%時，N含量降低，晶體內(nèi)雜質(zhì)減少，結(jié)晶質(zhì)量有所提升，臺階密度減少。 晶向偏離角對高速率高品質(zhì)金剛石單晶的生長有一定的影響。在生長前，將籽晶表面分別拋光成與籽晶[100]方向成0°、1.72°、2.63°、3.95°偏離角。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，偏離角為3.95°的樣品生長速率最快，結(jié)晶質(zhì)量最好，說明偏離角的引入提高了單晶的外延生長速率。加入0.5sccm氮?dú)夂螅l(fā)現(xiàn)偏離角為0°時，生長速率有所提高，但偏離角為3.89°時，生長速率無明顯提高。 【關(guān)鍵詞】：金剛石單晶 氧氣 甲烷濃度 off-axis
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TQ163;O78
【目錄】：

• 中文摘要4-5
• Abstract5-7
• 目錄7-9
• 第一章 緒論9-22
• 1.1 人工合成金剛石技術(shù)的發(fā)展9-10
• 1.2 金剛石的基本結(jié)構(gòu)10
• 1.3 金剛石的類型10-11
• 1.4 金剛石的性質(zhì)及其相應(yīng)的應(yīng)用11-13
• 1.4.1 力學(xué)、聲學(xué)性質(zhì)及相應(yīng)的應(yīng)用11-12
• 1.4.2 熱學(xué)性質(zhì)及應(yīng)用12
• 1.4.3 光學(xué)性質(zhì)及應(yīng)用12-13
• 1.4.4 電學(xué)、化學(xué)性質(zhì)及相應(yīng)的應(yīng)用13
• 1.4.5 其他性質(zhì)及相應(yīng)的應(yīng)用13
• 1.5 化學(xué)氣相沉積 CVD 法13-15
• 1.5.1 MPCVD 法的過程與原理14
• 1.5.2 CVD 金剛石過程中各基團(tuán)之間的反應(yīng)14-15
• 1.6 CVD 金剛石單晶晶體缺陷類型15-17
• 1.6.1 點(diǎn)缺陷15-16
• 1.6.2 線缺陷16-17
• 1.6.3 面缺陷和體缺陷17
• 1.7 CVD 過程中影響金剛石單晶生長的主要參數(shù)17-20
• 1.7.1 籽晶襯底的預(yù)處理的作用17-18
• 1.7.2 偏離角的作用18-19
• 1.7.3 沉積溫度的作用19
• 1.7.4 N_2的作用19-20
• 1.7.5 O_2的作用20
• 1.8 選題及主要研究內(nèi)容20-22
• 第二章 金剛石單晶生長設(shè)備及表征技術(shù)22-24
• 2.1 本文的實(shí)驗(yàn)設(shè)備22-23
• 2.2 本文采用的表征方法23-24
• 2.2.1 金相顯微鏡23
• 2.2.2 光發(fā)射譜23
• 2.2.3 掃描電子顯微鏡23
• 2.2.4 激光拉曼光譜23
• 2.2.5 光致發(fā)光光譜23-24
• 第三章 甲烷濃度對金剛石單晶生長的影響24-37
• 3.1 引言24
• 3.2 O_2對金剛石單晶生長的影響24-27
• 3.2.1 實(shí)驗(yàn)條件24-25
• 3.2.2 O_2對生長速率的影響25
• 3.2.3 O_2對金剛石表面形貌的影響25-26
• 3.2.4 O_2對晶體質(zhì)量的影響26-27
• 3.2.5 O_2對氮含量的影響27
• 3.3 CH_4濃度對金剛石單晶的生長影響27-35
• 3.3.1 實(shí)驗(yàn)條件28
• 3.3.2 CH_4濃度對生長速率的影響28-30
• 3.3.3 不同 CH_4濃度的 OES30-31
• 3.3.4 CH_4濃度對晶體質(zhì)量的影響31-32
• 3.3.5 CH_4濃度對樣品氮含量的影響32
• 3.3.6 CH_4濃度對金剛石表面形貌的影響32-35
• 3.4 本章小結(jié)35-37
• 第四章 晶向偏離角對金剛石單晶生長的影響37-42
• 4.1 引言37
• 4.2 實(shí)驗(yàn)條件37
• 4.3 off-axis 角對生長速率的影響37-38
• 4.4 off-axis 角對晶體質(zhì)量的影響38-40
• 4.5 off-axis 角對表面形貌的影響40-41
• 4.6 本章小結(jié)41-42
• 第五章 全文總結(jié)42-44
• 參考文獻(xiàn)44-50
• 作者簡介50-51
• 致謝51

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