聚焦金刚石制备工艺研究！

金刚石是超宽禁带半导体材料的典型代表，在高频大功率器件、辐射探测器、能量转换器件、散热衬底等领域具有重大应用潜力。此外，金刚石在培育钻石、工具等民用领域也有着巨大的市场规模。要充分发挥金刚石突出的力学、光学和电子学等性能，使它在超精密加工、热沉、光电子、量子计算和半导体电子器件，以及宝石级金刚石等众多高精尖技术领域得到广泛应用，制备高质量、大尺寸的单晶金刚石是基础。

过去 70 年中，金刚石行业顺利获得使用高温高压（ HPHT ）法及化学气相沉积（CVD ）法成功实现单晶金刚石的合成。但在使用HPHT法时需要引入催化剂促进成核，因此金刚石内部杂质难以得到有效减少。CVD 法无需引入催化剂等产生额外杂质，使合成金刚石纯度较高。现在，金刚石合成方法应用最为广泛的化学气相沉积（CVD ）方法主要有热丝化学气相沉积（HFCVD ）和微波等离子体化学气相沉积（ MPCVD）法。

MPCVD 是现在被广泛认为合成单晶金刚石的最好方法。微波源产生的微波由矩形波导管进入到模式转换腔，最后进入到石英玻璃隔断并密封的反应室内，耦合的微波将气体分子电离形成等离子体并扩散到样品表面，实现金刚石的生长。现在为止，合成大尺寸金刚石有三种主要技术路线，即单颗生长，拼接生长以及异质外延生长。

图1  大尺寸金刚石单晶生长技术路线示意图

单颗生长方法的优势在于其晶体质量高，位错密度少，也可为拼接生长给予较大籽晶原料，提高面积增加效率。在拼接或者异质外延取得的金刚石上进一步外延生长时需要采用单颗生长的技术基础，但随生长次数的增加，金刚石外延层原子错排程度将越发严重，尺寸难以扩大。

拼接生长技术的优势在于可以快速取得大尺寸单晶金刚石且可以继承籽晶的高结晶质量，但由于拼接缝区域存在大量位错和累积应力，拼接缝的弥合仍然面临挑战。现在利用马赛克拼接技术可取得尺寸为40mm×60mm的单晶金刚石衬底。

异质外延生长单晶金刚石，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，晶体质量也在不断提升。因此异质外延技术相较于单颗生长和拼接生长方法更易实现大尺寸单晶的生长。

图2  当前最大尺寸的异质外延单晶金刚石衬底

图3 半导体单晶金刚石衬底制备工艺流程

现在，在深紫外探测器应用中，金刚石由于本身材料优势，在工艺上可以避开掺杂问题，所以在商业化上走得比较前。从材料特性来看，金刚石热沉片、金刚石光学窗口片、金刚石基氮化镓等应用广阔，未来可期。