La investigación de la Universidad de Kanazawa muestra una dirección prometedora para la tasa de crecimiento de la tecnología de crecimiento de diamantes homoepitaxiales.

El artículo presenta la tecnología de mejora de la velocidad de crecimiento de las láminas de diamante. Al optimizar el reactor, el campo eléctrico, el gas y la posición del sustrato de MPCVD, se logra una alta velocidad de crecimiento de 250 μm/h y una excelente calidad de cristal sin nitrógeno. Después de agregar nitrógeno y optimizar las condiciones, la velocidad aumenta a 432 μm/h. Esta tecnología produce placas de diamante independientes de 0,1 mm de espesor con una cristalinidad comparable a los sustratos HPHT y mejor que los sustratos CVD comerciales. La difracción de rayos X verifica su alta calidad. Sin embargo, la aplicación de sustratos de gran superficie sigue siendo una dificultad técnica.

Puntos clave del crecimiento de diamantes mediante CVD: Los radicales libres se generan por la excitación por microondas de la mezcla de hidrógeno y metano; los átomos de hidrógeno promueven la conservación de las sustancias activas. Las sustancias activas se difunden desde el plasma al sustrato, chocan en el camino para generar nuevas sustancias e interactúan con la superficie del diamante a través de la vaina. Durante la reacción de la superficie, las sustancias activas migran al sitio de reacción para formar enlaces químicos o desorberse, los átomos de hidrógeno graban los enlaces SP2 y los hidrocarburos promueven el crecimiento del diamante. El estudio utilizó equipo de CVD y estructura de soporte para explorar la tasa de crecimiento de la película de diamante (100) en función de la presión parcial de metano, y descubrió que aumentar la potencia de microondas y la presión total puede aumentar la tasa de crecimiento, hasta 150 μm/h. Una alta densidad de potencia puede mejorar la eficiencia de conversión de metano, pero la pendiente de la tasa de crecimiento es equivalente a la de las condiciones sin nitrógeno, lo que puede atribuirse a la baja eficiencia de difusión de los radicales libres de carbono.

El informe de investigación señaló que el proyecto ha logrado la tasa de crecimiento más rápida del mundo. En comparación con los materiales semiconductores de potencia como Si, SiC y GaN, la tasa de crecimiento del diamante es menor que la del Si y SiC comerciales, pero es comparable a la del GaN. El mayor desafío es expandir el área de las semillas de diamante. El crecimiento heteroepitaxial es difícil de alcanzar un gran tamaño, y el crecimiento homoepitaxial puede ser tridimensional o en mosaico. La tecnología del equipo se ha probado con éxito en un sustrato pequeño y es adecuada para este último. MPCVD requiere una expansión tridimensional de la bola de plasma para aumentar el área, pero reduce la densidad de potencia y limita la tasa de crecimiento en un área grande. Aunque las microondas de 915 MHz aumentan el área, reducen la utilización de energía y la eficiencia del suministro de material. La solución radica en la expansión bidimensional del plasma para aumentar la densidad de potencia y explorar la CVD de filamento caliente y la CVD de gas sin plasma para reducir el costo energético de la producción de diamantes.

Los investigadores manipularon la superficie del diamante a nivel atómico ajustando el modo de crecimiento. En la superficie homoepitaxial (111), se utilizaron modos de crecimiento lateral, bidimensional en isla y tridimensional. Al controlar con precisión la concentración de metano y la desalineación del sustrato, se puede cambiar el modo de crecimiento en la mesa de alta presión y alta temperatura (111). El crecimiento lateral se amplió de micrones a milímetros. Después de la optimización, los investigadores lograron una superficie de diamante atómicamente plana en todo el sustrato.