水蒸汽退火工艺用于处理下一代功率器件的金刚石表面

图片来源：金泽大学

在珠宝店中精美商品展示在橱窗中，钻石因其耀眼的美丽而备受崇拜。但是，由碳元素组成的单质晶体的钻石（经过打磨后的金刚石）也以其优异的物理和电子特性而闻名。

在日本，由RyoYo Yoshida领导的金泽大学自然科学与技术研究生院的研究人员与筑波市的AIST合作项目，使用水蒸气退火技术来形成微观上表面基团全是羟基的金刚石。

金刚石具有许多特点使其应用在功率电子器件。虽然肉眼看起来金刚石很完美，但它在原子水平上可观察到缺陷，这些缺陷会产生独特的表面特性，从而影响金刚石在电子器件中的应用。

通过表面形成氢或氧终止来使表面金刚石结构稳定。氢终端金刚石表面包含二维空穴气体层（2DHG），允许对其进行高温和高压操作。Kanazawa大学的Norio Tokuda说：“含氧金刚石表面是通过氢终端表面的表面氧化形成的，氢终端表面去除了C-H键和2DHG，但这会使金刚石表面粗糙，导致器件性能下降。”

研究人员采用了水蒸气退火工艺克服上述缺点。Ib型和IIa型金刚石单晶（111）通过高压、高温合成。通过微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）在Ib上生长了同质外延金刚石膜。为了获得原子级平坦的氢终止表面，金刚石样品暴露于MPCVD室中的氢等离子体。对样品进行水蒸气退火处理形成氢终端金刚石。退火处理是在电炉石英管中氮气经超纯水鼓泡气氛中进行的。

结果表明，当水蒸气退火温度低于400℃时，金刚石表面仍保留有C-H键，可检测到2DHG。当水蒸气退火温度高于500℃时，金刚石表面无C-H键，2DHG消失。表面金刚石表面粗糙度下降，适合做功率电子器件。

水蒸气退火工艺在保持（111）取向金刚石表面光滑的同时可以去除2DHG。

Tutka说：“与传统技术例如湿化学氧化相比，水蒸气退火工艺提供了保持原子级平坦表面的优势且去除了2DHG。”

文章来源于dmag，原文题目：Water Vapor Annealing Technique on Diamond Surfaces for Next-Generation Power Devices，由材料科技在线汇总整理。