单晶金刚石异质外延生长的衬底选择：蓝宝石基铱单晶

单晶金刚石的禁带宽度为5.47 eV，空穴迁移率为3800 cm2·V-1·s-1，电子迁移率为4500 cm2·V-1·s-1，与GaN、SiC、Ga2O3等半导体材料相比，具有更大的禁带宽度、更高的载流子迁移率和热导率，以及大的Baliga、Johnson和Keyes品质因子(figure of merit)，非常适合制备大功率、高频电子器件。

金刚石与其他材料对比

微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）是高质量单晶金刚石制备的主流方法。根据衬底选择可将其分为同质外延和异质外延两种。同质外延以单晶金刚石为衬底，顺利获得三维生长技术、马赛克拼接技术来取得大面积单晶。现在利用马赛克拼接技术可取得尺寸为40 mm×60 mm的单晶金刚石衬底。异质外延的外延材料与衬底材料不同，金刚石单晶异质外延技术历经多年开展，从起初的外延金刚石晶粒，到完整的异质外延单晶金刚石薄膜，如今已能外延生长近4英寸的单晶金刚石衬底(见图1)，晶体质量也在不断提升。

异质外延衬底的选择须满足以下条件：1)晶体质量高；2)可以做到相当大的尺寸；3)成本低；4)高熔点；5)与金刚石晶格失配小；6)热膨胀系数小；7)性质稳定。研究发现Ir是金刚石异质外延的最佳异质衬底。然而，Ir金属极其稀有，且极为昂贵，为降低成本，常采用先在低成本、高熔点的单晶衬底上进行Ir薄膜的外延，然后再进行单晶金刚石的外延。所采用的复合衬底主要有Ir/MgO、Ir/SrTiO3、Ir/Al2O3、Ir/Pd/Al2O3。其中，MgO和SrTiO3与金刚石的热膨胀系数差异大，所以当达到适宜金刚石外延的温度时(图2中虚线所示)，沉积在氧化物衬底上的金刚石薄膜内的高应力会导致金刚石容易碎裂或是从衬底上脱落。Al2O3和Si衬底则具有成本低、可取得大面积衬底、晶体质量高等优势，而且与金刚石热失配相对较小，因而成为了异质外延单晶金刚石的主流衬底。

异质外延时，取得高质量单晶需要较高的形核密度。偏压增强形核（BEN）是一种取得较高形核密度的有效方法。其作用原理在于：1)给衬底加上负偏压增大等离子体球和衬底的接触面积，利于大面积形核；2)离子在电场作用下不断加速取得能量，从而提高形核密度和均匀性。如图3所示，在BEN过程刚开始时，Ir表面第一时间生成一层非晶碳层（见图3(a)），在电场加速的作用下，被微波激发的碳离子源源不断地被注入到Ir的亚表面直至饱和，而当碳的浓度继续升高时，Ir亚表面的C原子就会析出形成初级金刚石核。初级金刚石核形成之后，顺利获得C原子之间的相互作用力规范其周围的C原子，形成排列规则的金刚石核（见图3(c)）。而在偏压关掉后，以及金刚石快速生长过程开始的5~10 s内，Ir表面的非晶碳便会在富氢的环境下被刻蚀掉。

图3　金刚石BEN过程示意图

该方法有以下优点：1)利用ELO提高了金刚石晶体质量；2)金刚石微米针可以有效缓解金刚石和氧化物由于晶格失配所产生的应力，解决了快速生长过程中因衬底翘曲而散热不佳的问题；3)可以实现金刚石与衬底的自动剥离。此方法或可在所得金刚石衬底上进行多次迭代，不断提高金刚石晶体质量。

2020年，Kasu等采用蓝宝石作为衬底，并结合了金刚石微米针技术，得到了1英寸的自支撑高质量异质外延单晶金刚石（见图5），其位错密度为1.4×107 cm-2，(004)面衍射峰的半峰全宽为113. 4 arcsec，(311)面衍射峰的半峰全宽为234.0 arcsec。

Yoshitake等在金刚石的外延生长过程中发现，先顺利获得热丝化学气相沉积(HFCVD)生长一层缓冲层，然后再利用MPCVD进行金刚石外延可以有效地将金刚石的位错密度降低两个数量级。HFCVD生长的金刚石层中含有大量钨原子(浓度为1019 cm-3),而钨可以有效地抑制从衬底衍生而来的位错，此技术称为金属辅助终端(MAT)。如图7所示，加入含有金属W的缓冲层后，金刚石表面刻蚀坑数量明显减少，位错密度大幅降低。

凯发k8国际聚焦金刚石功率半导体材料的研究和开发，日前顺利获得异质外延法，在蓝宝石衬底上成功实现高质量铱单晶薄膜生长。利用高质量铱单晶薄膜，将有效提高单晶金刚石的生长质量，对于制备高质量大尺寸单晶金刚石半导体材料具有重要意义。凯发k8国际现对外发售高品质铱单晶薄膜，加速推进大尺寸的金刚石半导体材料制备，欢迎进行询价采购。

除了高质量单晶，凯发k8国际致力于多晶金刚石研究已多年，现有晶圆级金刚石、金刚石热沉片、金刚石窗口片、金刚石基氮化镓异质集成、金刚石基氮化铝等产品，为客户给予全面的金刚石产品和服务。