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鄭州華晶金剛石股份有限公司

“超大”單晶片和“超大”鉆石生長之:金剛石異質外延

關鍵詞 金剛石 , 鉆石|2019-05-10 09:33:01|來源 微博CVD金剛石
摘要 金剛石具有寬帶隙,高熱導率,高載流子遷移率,低介電常數等優越特性,在各領域中有著巨大的應用價值。其中,金剛石單晶更以其沒有晶界和較低的缺陷密度而成為目前金剛石在高功率及高頻電子器件...

       金剛石具有寬帶隙,高熱導率,高載流子遷移率,低介電常數等優越特性,在各領域中有著巨大的應用價值。其中,金剛石單晶更以其沒有晶界和較低的缺陷密度而成為目前金剛石在高功率及高頻電子器件等領域中應用的最佳選擇。近年來,化學氣相沉積方法同質外延金剛石單晶的研究取得了長足的發展,但由于由高溫高壓方法制備的金剛石單晶基片在尺寸和價格兩方面都難以滿足需求,在很大程度上限制了同質外延方法人工合成大尺寸單晶金剛石膜的發展。

       為了尋求大面積單晶金剛石膜合成的有效途徑,人們嘗試采用CVD方法異質外延單晶金剛石膜。借助于偏壓加強形核(BEN)技術,人們可以在非金剛石基片上獲得高的金剛石形核密度,進而獲得較大面積的金剛石單晶外延層。在此過程中,施加于等離子體上的負偏壓將導致等離子體中的低能正離子對非金剛石基片的表面造成轟擊,而這種轟擊作用被認為是誘發基片表面金剛石形核的關鍵步驟?;谄珘杭訌娦魏思夹g,近年來人們已實現了在Si,β-SiC,Ni,Pt,Ir等基片上金剛石膜的高取向度或異質外延生長。在眾多可選的金剛石異質外延基片中,單晶Ir薄膜因其與金剛石較小的晶格失配度、不易形成碳化物、高的熔點、易于大面積制備等特點成為了金剛石異質外延的理想基底材料。

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施加250V偏壓狀態下的微波等離子體

       多年來,國際上眾多學者嘗試了在Ir/MgO,Ir/SrTiO3,Ir/SrTiO3/Si,Ir/YSZ/Si,Ir/CaF2/Si等不同外延材料體系中進行金剛石膜的異質外延并取得了很大的進展。2017年德國奧格斯堡大學技術團隊就是用“異質外延生長技術”合成出了155ct的CVD單晶體鉆石。雖然這個直徑92mm的“盤狀”鉆石的厚度僅有1.6mm,但155ct的重量足以震驚世界。

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奧格斯堡大學制備的155ct金剛石圓片,直徑比英國女王權杖上的寶石要大將近一倍

       相比之下,國內在異質外延金剛石膜方面的發展卻較為緩慢,只有少數學者曾進行了高取向度金剛石膜的沉積工藝研究。

       要實現金剛石的異質外延,第一需要有適用的外延基片,第二需要對基片進行適當的偏壓形核處理。而后者對CVD偏壓設備提出了一定的結構要求。對于傳統石英鐘罩式和石英平板窗口的圓柱腔式MPCVD設備而言,等離子體上方有用于限定真空區域的微波窗口阻擋,這為設備在等離子上方設置偏壓電極帶來了不便。

       近年來,本實驗室在MPCVD設備的研發方面取得了長足進展,所研發的可調諧圓柱諧振腔式MPCVD金剛石膜沉積裝置因其具有獨特的結構,尤其適合于被設計成偏壓加強MPCVD裝置。我單位利用改進的偏壓加強MPCVD裝置嘗試在Ir(100)/MgO(100)基片上進行了金剛石異質外延形核,并取得了明顯成果。

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金剛石異質外延核心的表面形貌:(a)趨于連續的金字塔狀外延金剛石形核顆粒;(d)緊密排列的外延金剛石形核顆粒

       金剛石的異質外延涉及了異質外延基片的制備,偏壓加強形核以及金剛石生長等多個階段。盡管利用自行研制的偏壓加強MPCVD裝置在Ir表面實現了金剛石的異質外延形核。但要實現大面積異質外延高品質單晶金剛石膜,還有很遠的路要走。德國奧格斯堡大學技術團隊能夠制備出直徑92mm,155ct的金剛石圓片整整花費了26年的時間。我國在這一領域起步較晚,但是我們一定要有奮起直追的精神,早日實現我國超大尺寸單晶片和超大鉆石的制備,促進我國相關行業的進步。

 

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