不同取向单晶金刚石制备及氢化处理研究

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0113

摘要/Abstract

摘要： 金刚石晶体性能与其晶向密切相关，不同晶向的原子排列和化学键分布差异导致物理、化学及电学性能呈现各向异性。本研究通过微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）技术生长单晶金刚石，经激光切割获得（100）、（110）、（111）晶面金刚石片，晶面取向偏差控制在1.2°以内。从材料加工和氢化处理两方面对比分析发现：氢氧等离子体刻蚀中，（100）晶面呈现方形刻蚀坑，（110）晶面形成四面体山丘状形貌，（111）晶面为三角形刻蚀坑。拉曼及光致发光光谱表明，不同晶面样品质量均匀，应力较小。抛光实验表明，材料去除率随载荷增加而升高，在2.0 N/mm²载荷下，（100）晶面抛光去除率分别为（110）晶面的1.1倍和（111）晶面的17.7倍；表面粗糙度随载荷增加呈现先降低后升高的趋势，当载荷为1.5 N/mm²时，（111）晶面粗糙度低至0.118 nm，显著优于（100）面（0.934 nm）和（110）面（0.708 nm）。研究表明：在特定氢化工艺下，降低样品的表面粗糙度有助于改善样品的氢化性能，（100）晶面具有更高的载流子迁移率（103 cm²·V^-1·s^-1），（111）晶面表现出更高的载流子浓度（1.25×10¹³ cm^-2）和更低的方阻（4 400 Ω/sq），（111）晶面可能更有利于制备高性能器件。

关键词: 金刚石; MPCVD; 激光切割; 晶面取向; 抛光去除率; 表面粗糙度; 氢化处理

Abstract: As a typical ultra-wide bandgap semiconductor material， diamond possesses a bandgap of 5.47 eV， high breakdown electric field， and excellent thermal transport properties， making it highly promising for high-temperature， high-frequency， and high-power electronic devices. Hydrogen-terminated diamond field-effect transistors （FETs） have emerged as a frontier in microelectronics. However， diamond properties exhibit remarkable anisotropy due to varying atomic arrangements and chemical bond distributions across crystal orientations. Most existing studies focus on the （100） plane， while systematic investigations on the （110） and （111） planes （e.g.， processing characteristics and hydrogenation-induced electrical performance） remain insufficient， hindering the development of high-performance diamond devices.This study aims to address the above gap by clarifying differences in processing performance， surface quality， and post-hydrogenation electrical properties among （100），（110） and （111） diamond planes， thereby providing theoretical and experimental foundations for crystal plane selection in diamond device fabrication.In this study， single-crystal diamond was grown by microwave plasma chemical vapor deposition （MPCVD） technology， and diamond wafers with （100），（110） and （111） crystal planes were obtained through laser cutting， with the deviation of crystal plane orientation controlled within 1.2°. Hydroxyl plasma etching was used to observe surface morphologies. An improved dynamic friction polishing （DFP） method—innovatively adopting vacuum adsorption to fix samples （enhancing polishing uniformity） was employed to study the effect of load on material removal rate （MRR） and surface roughness. The high-resolution X-ray diffractometer was employed to determine the crystal orientation deviation of the diamond， the emission scanning electron microscope was used to observe the etched morphologies of the samples and the optical profiler was adopted to characterize the surface roughness of the samples. After hydrogenation， Raman spectroscopy， photoluminescence （PL） spectroscopy， and Hall effect measurements characterized crystal quality and electrical properties.Comparative analysis from the aspects of material processing and hydrogenation treatment reveals that： in hydrogen-oxygen plasma etching， the （100） crystal plane exhibits square etching pits， the （110） crystal plane forms tetrahedral hill-like morphologies， and the （111） crystal plane shows triangular etching pits. Raman and photoluminescence spectra indicate that the samples with different crystal planes exhibit uniform quality and low stress. Polishing experiments indicate that the material removal rate increases with the increment of load. Under a load of 2.0 N/mm²， the polishing removal rate of the （100） crystal plane is 1.1 times that of the （110） crystal plane and 17.7 times that of the （111） crystal plane. The surface roughness first decreases and then increases with the increment of load. When the load is 1.5 N/mm²， the roughness of the （111） crystal plane is as low as 0.118 nm， significantly better than that of the （100） plane （0.934 nm） and the （110） plane （0.708 nm）. Studies have shown that under specific hydrogenation processes， reducing the surface roughness of the samples helps to improve their hydrogenation performance. The （100） crystal plane has higher carrier mobility（103 cm²·V^-1·s^-1）， while the （111） crystal plane exhibits higher carrier concentration （1.25×10¹³ cm^-2） and lower sheet resistance （4 400 Ω/sq）. The （111） crystal plane may be more favorable for fabricating high-performance devices.

Key words: diamond; MPCVD; laser cutting; crystallographic orientation; polishing removal rate; surface roughness; hydrogenation treatment

中图分类号:

O786

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图/表 14

图1 不同晶面取向的位置关系

Fig.1 Positional relationship between different crystallographic orientations

图2 生长毛坯（a）及激光切割得到的不同晶面取向样品（b）

Fig.2 As-grown bulk materials （a） and samples with different crystal plane orientations obtained by laser cutting （b）

图3 真空吸附DFP示意图

Fig.3 Schematic diagram of vacuum adsorption DFP

表1 不同晶面金刚石抛光参数及结果

Table 1 Polishing parameters and results of diamond with different crystal faces

Sample	Crystal orientation	Load/（N·mm^-2）	Removed thickness/μm	Polishing time/min	Removal rate/（μm·min^-1）	Surface roughness/nm
1	（100）	1.0	34	28	1.21	1.365
2	（110）	1.0	30	30	1.00	0.937
3	（111）	1.0	28	467	0.06	0.472
4	（100）	1.5	30	19	1.58	0.934
5	（110）	1.5	34	18	1.46	0.708
6	（111）	1.5	26	325	0.08	0.118
7	（100）	2.0	35	18	1.94	1.414
8	（110）	2.0	32	18	1.77	1.632
9	（111）	2.0	25	227	0.11	0.260

图4 氢终端金刚石范德堡霍尔测试图形

Fig.4 The van der Pauw Hall measurement pattern of the hydrogen-terminated diamond

表2 实际晶面与理想晶面偏差

Table 2 Deviation between actual crystal faces and ideal crystal faces

Sample	Crystal orientation	Standard Bragg angle， θ₀/（º）	Actual Bragg angle， θ₁/（º）	Orientation deviation/（º）
1	（100）	59.75	59.23	0.52
2	（110）	37.69	36.84	0.85
3	（111）	21.97	20.85	1.12

图5 不同晶面金刚石刻蚀形貌

Fig.5 Etching morphologies of diamond with different crystal planes

图6 不同晶面金刚石的拉曼光谱和PL光谱

Fig.6 Raman and PL spectra of the diamond plates with different surface orientations

图7 不同晶面金刚石拉曼本征峰位面扫描

Fig.7 Surface scanning of intrinsic Raman peak positions for diamond with different crystal planes

图8 不同晶面样品抛光去除率随载荷的变化

Fig.8 Polishing removal rate of samples with different crystal planes under different loads

图9 不同载荷下不同晶面的表面粗糙度变化

Fig.9 Surface roughness of diamond with different crystal planes under different loads

图10 不同晶面表面粗糙度形貌

Fig.10 Morphological characteristics of surface roughness for different crystal planes

表3 金刚石室温霍尔测试结果

Table 3 Room temperature Hall measurement results of diamonds

Sample	Crystal orientation	Surface roughness/nm	Carrier surface density，N_s/cm^-2	Mobility，μ/（cm²·V^-1·s^-1）	Square resistance，R_sh/（Ω·sq^-1）
1	（100）	0.934	1.08×10¹³	103.0	5 800
2	（100）	1.365	1.07×10¹³	102.5	5 860
3	（100）	1.414	1.03×10¹³	100.0	5 920
4	（110）	0.708	1.12×10¹³	102.4	5 260
5	（110）	0.937	1.07×10¹³	102.3	5 320
6	（110）	1.632	1.15×10¹³	99.6	5 360
7	（111）	0.118	1.25×10¹³	101.0	4 440
8	（111）	0.260	1.23×10¹³	100.8	4 460
9	（111）	0.472	1.21×10¹³	100.6	4 510

图11 不同晶面金刚石电学性能随表面粗糙度变化

Fig.11 Electrical properties for diamond with different crystal planes vary with surface roughness

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