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金刚石表面水蒸气退火引领新一代功率器件
时间:2018-09-05

钻石通常作为华丽的珠宝陈列而示。但是这种固体碳也以其优异的物理和电子性能而闻名。在日本,由Kyo Yoshida领导的金泽大学自然科学与技术研究生院和筑波的产业技术综合研究所的研究人员利用水蒸汽退火形成了原子级平坦的羟基封端金刚石表面。

        金刚石拥有许多出色的特性,使其在电子设备上具有很好的应用前景。然而,金刚石中含有的缺陷在原子层面上是可以观察到的,这些缺陷产生了独特的表面特性,影响了金刚石在此类器件中的应用。使用氧气或氢气的表面终止稳定了金刚石结构。氢端金刚石表面包含二维空穴气体层(2DHG),可实现高温和高压操作。氧端的金刚石表面是通过氢端表面的表面氧化形成的,它可以去除碳氢(CH)键和2DHG,“但这会使金刚石表面变得粗糙并导致器件性能下降,”日本金泽大学Norio Tokuda说到。

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        为了解决这个问题,研究人员采用了水蒸气退火的方法。他们从高压高温合成的(111)晶向单晶金刚石Ib和IIa基片着手。通过微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)在Ib基板上制备同质外延金刚石膜。为了获得原子级平坦的氢端表面,将金刚石样品暴露于MPCVD腔体中的氢等离子体。为了形成羟基封端的表面,对氢端的金刚石样品进行水蒸气退火处理。

        结果表明,在400℃以下的水蒸气退火过程中,碳氢键仍保留在金刚石表面; 因此,检测到了二维空穴气体层。“然而,500°C以上的水蒸汽退火去除了金刚石表面的碳氢键,”Yoshida解释说,“这表明二维空穴气体层(2DHG)已经消失。” 因此,水蒸气退火可以去除2DHG,同时保持(111)取向的金刚石表面的表面形态。 “与去除2DHG的常规技术相比,例如湿法化学氧化,”Tokuda说,“水蒸汽退火拥有保持原子级平坦表面的优势。”

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        金刚石是自然界存在的特殊材料之一,具有最高的硬度、低摩擦系数、高弹性模量、高热导、高绝缘、宽能隙、高的声传播速率以及良好的化学稳定性等,如下表。虽然天然金刚石具有这些独一无二的特性,但是它们一直仅仅是以宝石的形式存在,其性质的多变性和稀有性极大地限制了其应用。而洛阳誉芯金刚石制备的CVD金刚石膜将这些优异的物理化学性能集一身,且成本较天然金刚石低,能够制备各种几何形状,在电子、光学、机械等工业领域有广泛的应用前景。

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