Приборы и техника эксперимента, 2021, № 2, стр. 5-18

ГЕТЕРОЭПИТАКСИАЛЬНЫЙ РОСТ АЛМАЗА ИЗ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ: ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ (обзор)

С. А. Линник a*, С. П. Зенкин a, А. В. Гайдайчук a

a Национальный исследовательский Томский политехнический университет
634000 Томск, просп. Ленина, 30, Россия

* E-mail: stepan_lin@mail.ru

Поступила в редакцию 16.07.2020
После доработки 19.08.2020
Принята к публикации 21.08.2020

Аннотация

Рассматриваются современное состояние исследований и новые подходы к решению проблемы гетероэпитаксии пленок алмаза из газовой фазы. Описаны особенности роста алмаза из газовой фазы, процессы нуклеации, текстурирования и основные фундаментальные проблемы и барьеры гетероэпитаксии монокристаллического алмаза. Рассмотрены последние достижения и потенциально перспективные подходы в данной области.

DOI: 10.31857/S0032816221010328

Список литературы

  1. De Boer W., Bol J., Furgeri A., Müller S., Sander C., Berdermann E., Pomorski M., Huhtinen M. // Phys. Stat. Sol. (a). 2007. V. 204. № 9. P. 3004. https://doi.org/10.1002/pssa.200776327

  2. Lagomarsino S., Bellini M., Corsi C., Cindro V., Kanxheri K., Morozzi A., Passeri D., Servoli L., Schmidt C.J., Sciortino S. // Appl. Phys. Lett. 2015. V. 106. P. 193509. https://doi.org/10.1063/1.4921116

  3. Dore P., Nucara A., Cannavò D., de Marzi G., Calvani P., Marcelli A., Sussmann R.S., Whitehead A.J., Dodge C.N., Krehan A.J., Peters H.J. // Appl. Opt. 1998. V. 37. № 24. P. 5731. https://doi.org/10.1364/AO.37.005731

  4. Thomas M.E., Tropf W.J. // Johns Hopkins APL Technical Digest. 1993. V. 14. № 1. P. 16.

  5. Shvyd’ko Y., Blank V., Terentyev S. // MRS Bulletin. 2017. V. 42. P. 437. https://doi.org/10.1557/mrs.2017.119

  6. Wort C.J.H., Balmer R.S. // Materialstoday. 2008. V. 11. № 1–2. P. 22. https://doi.org/10.1016/S1369-7021(07)70349-8

  7. El-Hajj H., Denisenko A., Bergmaier A., Dollinger G., Kubovic M., Kohn E. // Diam. Relat. Mater. 2008. V. 17. № 4. P. 409. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2007.12.030

  8. Deneuville A. // Semiconductors and Semimetals. 2003. V. 76. P. 183. https://doi.org/10.1016/S0080-8784(03)80006-6

  9. Braunstein G., Kalish R. // J. Appl. Phys. 1983. V. 54. № 4. P. 2106. https://doi.org/10.1063/1.332262

  10. Pinault-Thaury M.-A., Temgoua S., Gillet R., Bensalah H., Stenger I., Jomard F., Issaoui R., Barjon J. // Appl. Phys. Lett. 2019. V. 114. P. 112106. https://doi.org/10.1063/1.5079924

  11. Kato H., Makino T., Yamasaki S., Okushi H. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2007. V. 40. P. 6189. https://doi.org/10.1088/0022-3727/40/20/S05

  12. Koizumi S., Kamo M., Sato Y., Mita S., Sawabe A., Reznik A., Uzan-Saguy C., Kalish R. // Diam. Relat. Mater. 1998.V. 7. № 2–5. P. 540. https://doi.org/10.1016/S09259635(97)00250-1

  13. Baranauskas V., Li B.B., Peterlevitz A., Tosin M.C., Durrant S.F. // J. Appl. Phys. 1999. V. 85. № 10. P. 7455. https://doi.org/10.1063/1.369378

  14. Petherbridge J.R., May P.W., Fuge G.M., Robertson G.F., Rosser K.N., Ashfold M.N.R. // J. Appl. Phys. 2002. V. 91. № 6. P. 3605. https://doi.org/10.1063/1.1448679

  15. Таблицы физических величин: Справочник / Под ред. акад. И.К. Кикоина. М.: Атомиздат, 1976.

  16. Asmussen J., Reinhard D. Diamond films handbook. NY.: Marcel Dekker, 2002.

  17. Liu H., Dandy D.S. Diamond chemical vapor Deposition. William Andrew, 1996. https://www.sciencedirect.com/book/9780815513803/diamond-chemical-vapor-deposition#book-description

  18. Ivakin E.V., Sukhodolov A.V., Ralchenko V.G., Vlasov A.V., Khomich A.V. // Quantum electronics. 2002. V. 32. № 4. P. 367. https://doi.org/10.1070/QE2002v032n04ABEH002200

  19. Klein C.A., Cardinale G.F. // Diam. Relat. Mater. 1993. V. 2. № 5–7. P. 918. https://doi.org/10.1016/0925-9635(93)90250-6

  20. Novikov N.V., Dub S.N. // Diam. Relat. Mater. 1996. V. 5. № 9. P. 1026. https://doi.org/10.1016/0925-9635(95)00346-0

  21. Лейпунский О.И. // Успехи химии. 1939. Т. 8. Вып. 10. С. 1519.

  22. Варнин В.П. Вопросы истории естествознания и техники. 2015. Т. 36. Вып. 1. С. 124.

  23. Deljanin B., Alessandri M., Peretti A., Åström M., Katrusha A. // Contributions to Gemology. 2015. № 15. P. 1.

  24. Eaton-Magaña S., Shigley J.E., Breeding C.M. // Gems & Gemology. 2017. V. 53. № 3. P. 262. https://doi.org/10.5741/GEMS.53.3.262

  25. Bray K., Kato H., Previdi R., Sandstrom R., Ganesan K., Oqura M., Makino T., Yamasaki S., Magyar P., Toth M., Aharonovich I. // Nanoscale. 2018. V. 10. P. 4028. https://doi.org/10.1039/C7NR09097H

  26. Watanabe H., Nebel C.E., Shikata S. // Science. 2009. V. 324. № 5933. P. 1425. https://doi.org/10.1126/science.1172419

  27. Berdermann E., Afanaciev K., Ciobanu M., Fischer M., Gsell S., Kiš M., Lagomarsino S., Lohmann W., Mayr M., Pomorski M., Rahman M.S., Schmidt C.J., Sciortino S., Schreck M., Stehl C., Träger M., The NoRHDia, CARAT, ADAMAS Collaborations // Diam. Relat. Mater. 2019. V. 97. P. 107420. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2019.05.006

  28. Bundy F.P. // J. Geophys. Res.:  Solid Earth. 1980. V. 85. № B12. P. 6930. https://doi.org/10.1029/JB085iB12p06930

  29. Bundy F.P., Bassett W.A., Weathers M.S., Hemley R.J., Mao H.U., Goncharov A.F. // Carbon. 1996. V. 34. № 2. P. 141. https://doi.org/10.1016/0008-6223(96)00170-4

  30. Spitsyn B.V., Alexenko A.E. // Protection of Metals. 2007. V. 43. № 5. P. 415. https://doi.org/10.1134/S0033173207050025

  31. Deryagin B.V., Fedoseev D.V. // Usp. Khim. 1970. V. 39. P. 1661. https://doi.org/10.1070/RC1970v039n09ABEH002022

  32. Дерягин Б.В., Федосеев Д.В. М.: Наука, 1977. С. 116.

  33. Schwander M., Partes K. // Diam. Relat. Mater. 2011. V. 20. № 9. P. 1287. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2011.08.005

  34. Gulbransen E.A., Andrew K.F., Brassart F.A. // J. Electrochem. Soc. 1965. V. 112. P. 49. https://doi.org/10.1149/1.2423463

  35. Haubner R., Lux B. // Diam. Relat. Mater. 1993. V. 2. № 9. P. 1277. https://doi.org/10.1016/0925-9635(93)90008-P

  36. Santos J.A., Neto V.F., Ruch D., Grácio J. // J. Nano Res. 2012. V. 18–19. P. 227. doi 10.4028/www.scientific.net/JNanoR.18-19.227

  37. Liang Q., Chin C.Y., Lai J., Yan C.-S., Meng Y., Mao H.-K., Hemley R.J. // Appl. Phys. Lett. 2009. V. 94. P. 024103. https://doi.org/10.1063/1.3072352

  38. Liu J., Hei L.F., Song J.H., Li C.M., Tang W.Z., Chen G.C., Liu F.X. // Diam. Relat. Mater. 2014. V. 46. P. 42. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2014.04.008

  39. Linnik S.A., Gaydaychuk A.V. // Diam. Relat. Mater. 2019.V. 94. P. 166. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2019.03.011

  40. Bolshakov A.P., Konov V.I., Prokhorov A.M., Uglov S.A., Dausinger F. // Diam. Relat. Mater. 2001. V. 10. № 9–10. P. 1559. https://doi.org/10.1016/S0925-9635(01)00408-3

  41. Ashfold M.N.R., May P.W., Petherbridge J.R., Rosser K.N., Smith J.A., Mankelevich Y.A., Suetin N.V. // Phys. Chem. Chem. Phys. 2001. V. 3. P. 3471. https://doi.org/10.1039/B104265N

  42. Prelas M.A., Popovici G., Bigelow L.K. Handbook of Industrial Diamonds and Diamond Films. N.Y.: Marcel Dekker, 1998. C. 1232.

  43. Harris S.J. // Appl. Phys. Lett. 1990. V. 56. № 23. P. 2298. https://doi.org/10.1063/1.102946

  44. Goodwin D.G. // Appl. Phys. Lett. 1991. V. 59. № 3. P. 277. https://doi.org/10.1063/1.105620

  45. May P.W. // Phil., Trans., R., Soc., Lond. A. 2000. V. 358. P. 473. https://doi.org/10.1098/rsta.2000.0542

  46. Skokov S., Weiner B., Frenklach M. // J. Phys. Chem. 1994. V. 98. P. 8. https://doi.org/10.1021/j100052a003

  47. Pethrbridge J.R., May P.W., Pearce S.R., Rosser K.N., Ashfold M.N.R. // J. Appl. Phys. 2001. V. 89. № 2. P. 1484. https://doi.org/10.1063/1.1333031

  48. Butler J.E., Mankelevich Y.A., Cheesman A., Ma J., Ashfold M.N.R. // J. Phys. Condens. Matter. 2009. V. 21. № 36. P. 364201. https://doi.org/10.1088/0953-8984/21/36/364201

  49. Derjaguin B.V., Fedoseev D.V. // Scientific American. 1975. V. 233. № 5. P. 102.

  50. Matsumoto S., Matsui Y. // J. Mater. Sci. 1983. V. 18. P. 1785. https://doi.org/10.1007/BF00542075

  51. Mitura S. // J. Crys. Growth. 1987. V. 80. P. 417. https://doi.org/10.1016/0022-0248(87)90090-X

  52. Buerki P.R., Leutwyler S. // J. Appl. Phys. 1991. V. 69. № 6. P. 3739. https://doi.org/10.1063/1.348468

  53. Frenklach M., Kematick R., Huang D., Howard W., Spear K.E., Phelps A.W., Koba R. // J. Appl. Phys. 1989. V. 66. № 1. P. 395. https://doi.org/10.1063/1.343890

  54. Frank F.C., Van der Merwe J.H. // Proc. Royal Soc. London Ser. A. 1949. V. 198. P. 205.

  55. Volmer M., Weber A. // Z. Phys. Chem. 1926. V. 119. P. 277.

  56. Baskaran A., Smereka P. // J. Appl. Phys. 2012. V. 111. P. 044321. https://doi.org/10.1063/1.3679068

  57. Field J.E. The properties of diamond. London: Academic Press, 1979.

  58. Barnes P.N., Wu R.L.C. // Appl. Phys. Lett. 1993. V. 62. № 1. P. 37. https://doi.org/10.1063/1.108811

  59. Dubray J.J., Pantano C.G., Meloncelli M., Bertran E. // J. Vacuum Sci. & Technol. A. 1991. V. 9. № 6. P. 3012. https://doi.org/10.1116/1.577165

  60. Belton D.N., Schmieg S.J. // Thin Solid Films. 1992. V. 212. № 1–2. P. 68. https://doi.org/10.1016/0040-6090(92)90502-3

  61. Waite M.M., Shah S.I. // Appl. Phys. Lett. 1992. V. 60. № 19. P. 2344. https://doi.org/10.1063/1.107474

  62. Kim D., Lee H., Lee J. // J. Mater. Sci. 1993. V. 28. № 24. P. 6704. https://doi.org/10.1007/BF00356418

  63. Hirata G.A., Cota-Araiza L., Avalos-Borja M., Farfas M.H., Contreras O., Matsumoto Y. // J. Phys. Condens. Matter. 1993. V. 5. P. A305. https://doi.org/10.1088/0953-8984/5/33A/107

  64. Arnault J.C., Demuynck L., Speisser C., Le Normand F. // Eur. Phys. J. B. 1999. V. 11. P. 327. https://doi.org/10.1007/s100510050943

  65. Williams O.A., Douhéret O., Daenen M., Haenen K., Osawa E., Takahashi M. // Chem. Phys. Lett. 2007. V. 445. P. 255. https://doi.org/10.1016/j.cplett.2007.07.091

  66. Wolter S.D., Glass J.T. // J. Appl. Phys. 1995. V. 77. № 10. P. 5119. https://doi.org/10.1063/1.359322

  67. Yugo S., Kanai T., Kimura T., Muto T. // Appl. Phys. Lett. 1991. V. 58. P. 1036. https://doi.org/10.1063/1.104415

  68. Koizumi S., Murakami T., Inuzuka T., Suzuki K. // Appl. Phys. Lett. 1990. V. 57. № 6. P. 563. https://doi.org/10.1063/1.103647

  69. Inuzuka T., Koizumi S., Suzuki K. // Diam. Relat. Mater. 1992. V. 1. № 2–4. P. 175. https://doi.org/10.1016/0925-9635(92)90020-O

  70. Argoitia A., Angus J.C., Ma J.S., Wang L., Pirouz P., Lambrecht W.R.L. // J. Mater. Res. 1994. V. 9. № 7. P. 1849. https://doi.org/10.1557/JMR.1994.1849

  71. Koizumi S., Inuzuka T. // Jpn. J. Appl. Phys. 1993. V. 32. P. 3920. https://doi.org/10.1143/JJAP.32.3920

  72. Maeda H., Ohtsubo K., Irie M., Ohya N., Kusakabe K., Morooka S. // J. Mater. Res. 1995. V. 10. № 12. P. 3115. https://doi.org/10.1557/JMR.1995.3115

  73. Wild C., Kohl R., Herres N., Müller-Sebert W., Koidl P. // Diam. Relat. Mater. 1994. V. 3. P. 373. https://doi.org/10.1016/0925-9635(94)90188-0

  74. Wild C., Koidl P., Müller-Sebert W., Walcher H., Kohl R., Herres N., Locher R. // Diam. Relat. Mater. 1993. V. 2. P. 158. https://doi.org/10.1016/0925-9635(93)90047-6

  75. Smereka P., Li X., Russo G., Srolovitz D.J. // Acta Materialia. 2005. V. 53. P. 1191. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2004.11.013

  76. Delfaure C., Tranchant N., Mazellier J.-P., Ponard P., Saada S. // Diam. Relat. Mater. 2016. V. 69. P. 214. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2016.08.013

  77. Liu T., Raabe D. // Appl. Phys. Lett. 2009. V. 94. P. 021119. https://doi.org/10.1063/1.3072601

  78. Cao G.Z., Schermer J.J., Van Enckevort W.J.P., Eist W.A.L.M., Gilling L.J. // J. Appl. Phys. 1996. V. 79. № 3. P. 1357. https://doi.org/10.1063/1.361033

  79. Locher R., Wild C., Herres N., Behr D., Koidl P. // Appl. Phys. Lett. 1994. V. 65. № 1. P. 34. https://doi.org/10.1063/1.113064

  80. Liu T., Raabe D., Mao W., Zaefferer S. // Adv. Funct. Mater. 2009. V. 19. P. 3880. https://doi.org/10.1002/adfm.200901231

  81. Titus E., Mirsa D.S., Singh M.K., Tyagi P.K., Misra A., Le Normand F., Gracio J., Ali N. // J. Mater. Res. 2004. V. 19. № 11. P. 3206. https://doi.org/10.1557/JMR.2004.0433

  82. Janischowsky K., Ebert W., Kohn E. // Diam. Relat. Mater. 2003. V. 12. P. 336. https://doi.org/10.1016/S0925-9635(02)00294-7

  83. Yaita J., Suto T., Natal M.-R., Saddow S.E., Hatano M., Iwasaki T. // Diam. Relat. Mater. 2018. V. 88. P. 158. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2018.07.011

  84. Janischowsky K., Stammler M., Ley L. // Diam. Relat. Mater. 1999. V. 8 № 2–5. P. 179. https://doi.org/10.1016/S0925-9635(98)00259-3

  85. Schreck M., Gsell S., Brescia R., Fischer M. // Scientific Reports. 2017. V. 7. P. 44462. https://doi.org/10.1038/srep44462

  86. Rasic D., Narayan J. Epitaxial Growth of Thin Films // Crystal Growth (IntechOpen, 2019). https://doi.org/10.5772/intechopen.82745

  87. Trampert A., Brandt O., Yang H., Ploog K.H. // Appl. Phys. Lett. 1997. V. 70. № 5. P. 583. https://doi.org/10.1063/1.118281

  88. Trampert A., Ploog K.H. // Cryst. Res. Technol. 2000. V. 35. № 6–7. P. 793. https://doi.org/10.1002/1521-4079(200007)35:6/7<793::AID-CRAT793>3.0.CO;2-3

  89. Kukushkin S.A., Osipov A.V., Bessolov V.N., Medvedev B.K., Nevolin V.K., Tcarik K.A. // Rev. Adv. Mater. Sci. 2008. V. 17. P. 1.

  90. Prelas M.A., Gielisse P., Popovici G., Spitsyn B.V., Stacy T. Wide Band Gap Electronic Materials. Springer, 1994. P. 529. https://doi.org/10.1007/978-94-011-0173-8

  91. Миссол В. Поверхностная энергия раздела фаз в металлах. М.: Металлургия, 1978. С. 176.

  92. Skriver H.L., Rosengaard N.M. // Phys. Rev. B. 1992. V. 46. № 11. P. 7157. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.46.7157

  93. Jaccodine R.J. // J. Electrochem. Soc. 1963. V. 110. № 6. P. 524. https://doi.org/10.1149/1.2425806

  94. Gilman J.J. // J.  Appl. Phys. 1960. V. 31. № 12. P. 2208. https://doi.org/10.1063/1.1735524

  95. Oshcherin B.N. // Phys. Status Solidi A. 1976. V. 34. P. K181. https://doi.org/10.1002/pssa.2210340266

  96. Jiang X., Schiffmann K., Klages C.-P. // J. Appl. Phys. 1998. V. 83. № 5. P. 2511. https://doi.org/10.1063/1.367012

  97. Trürer K.-H., Schreck M., Stritzker B. // Phys. Rev. B. 1998. V. 57. P. 15454. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.57.15454

  98. Belton D.N., Schmieg S.J. // J. Appl. Phys. 1989. V. 66. № 9. P. 4223. https://doi.org/10.1063/1.343962

  99. Romanyuk O., Varga M., Tulic S., Izak T., Jiricek P., Kromka A., Shakalova V., Rezek B. // J. Phys. Chem. C. 2018. V. 122. P. 6629. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.7b12334

  100. Yang P.C., Zhu W., Glass J.T. // J. Mater. Res. 1993. V. 8. № 8. P. 1773. https://doi.org/10.1557/JMR.1993.1773

  101. Yang P.C., Zhu W., Glass J.T. // J. Mater. Res. 1994. V. 9. № 5. P. 1063. https://doi.org/10.1557/JMR.1994.1063

  102. Zavodinsky V.G. // Comp. Mater. Sci. 2006. V. 36. P. 139. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2005.02.015

  103. Zavodinsky V.G. // Diam. Relat. Mater. 2006. V. 15. № 9. P. 1201. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2005.04.005

  104. Pereira E., Fan Q.H. // J. Gracio, Mat. Res. Coc. Symp. Proc. 1997. V. 436. P. 323.

  105. Hartsell M.L., Plano L.S. // J. Mater. Res. 1994. V. 9. № 4. P. 921. https://doi.org/10.1557/JMR.1994.0921

  106. Wolter S.D., Stoner B.R., Glass J.T. // Diam. Relat. Mater. 1994. V. 3. P. 1188. https://doi.org/10.1016/0925-9635(94)90167-8

  107. Chuang K.-L., Chang L., Lu C.-A. // Mater. Chem. Phys. 2001. V. 72. P. 176. https://doi.org/10.1016/S0254-0584(01)00431-X

  108. Tachibana T., Yokota Y., Hayashi K., Miyata K., Kobashi K., Shintani Y. // Diam. Relat. Mater. 2000. V. 9. P. 251. https://doi.org/10.1016/S0925-9635(00)00207-7

  109. Tachibana T., Yokota Y., Nishimura K., Miyata K., Kobashi K., Shintani Y. // Diam. Relat. Mater. 1996. V. 5. P. 197. https://doi.org/10.1016/0925-9635(95)00473-4

  110. Tachibana T., Yokota Y., Hayashi K., Kobashi K. // Diam. Relat. Mater. 2001. V. 10. P. 1633. https://doi.org/10.1016/S0925-9635(01)00444-7

  111. Kawarada H., Wild C., Herres N., Locher R., Koidl P. // J. Appl. Phys. 1997. V. 81. № 8. P. 3490. https://doi.org/10.1063/1.365047

  112. Ohtsuka K., Suzuki K., Sawabe A., Inuzuka T. // Jpn. J. Appl. Phys. 1996. V. 35. № 8B. P. L1072. https://doi.org/10.1143/JJAP.35.L1072

  113. Ohtsuka K., Fukuda H., Suzuki K., Sawabe A. // Jpn. J. Appl. Phys. 1997. V. 36. № 9A/B. P. L1214. https://doi.org/10.1143/JJAP.36.L1214

  114. Schreck M., Roll H., Strizker B. // Appl. Phys. Lett. 1999. V. 74. № 5. P. 650. https://doi.org/10.1063/1.123029

  115. Lee C.H., Qi J., Lee S.T., Hung L.S. // Diam. Relat. Mater. 2003. V. 12. P. 1335. https://doi.org/10.1016/S0925-9635(03)00083-9

  116. Bauer T., Gsell S., Schreck M., Goldfuß J., Lettieri J., Schlom D.G., Stritzker B. // Diam. Relat. Mater. 2005. V. 14. P. 314. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2004.10.028

  117. Gsell S., Bauer T., Goldfuß J., Schreck M., Stritzker B. // Appl. Phys. Lett. 2004. V. 84. № 22. P. 4541. https://doi.org/10.1063/1.1758780

  118. Gsell S., Fischer M., Brescia R., Schreck M., Huber P., Bayer F. // Appl. Phys. Lett. 2007. V. 91. P. 061501-1. https://doi.org/10.1063/1.2768003

  119. Schreck M., Schury A., Hörmann F., Roll H., Stritzker B. // J. Appl. Phys. 2002. V. 91. № 2. P. 676. https://doi.org/10.1063/1.1424059

Дополнительные материалы отсутствуют.