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郑州华晶金刚石股份有限公司

“超大”单晶片和“超大”钻石生长之:金刚石异质外延

关键词 金刚石 , 钻石|2019-05-10 09:33:01|来源 微博CVD金刚石
摘要 金刚石具有宽带隙,高热导率,高载流子迁移率,低介电常数等优越特性,在各领域中有着巨大的应用价值。其中,金刚石单晶更以其没有晶界和较低的缺陷密度而成为目前金刚石在高功率及高频电子器件...

       金刚石具有宽带隙,高热导率,高载流子迁移率,低介电常数等优越特性,在各领域中有着巨大的应用价值。其中,金刚石单晶更以其没有晶界和较低的缺陷密度而成为目前金刚石在高功率及高频电子器件等领域中应用的最佳选择。近年来,化学气相沉积方法同质外延金刚石单晶的研究取得了长足的发展,但由于由高温高压方法制备的金刚石单晶基片在尺寸和价格两方面都难以满足需求,在很大程度上限制了同质外延方法人工合成大尺寸单晶金刚石膜的发展。

       为了寻求大面积单晶金刚石膜合成的有效途径,人们尝试采用CVD方法异质外延单晶金刚石膜。借助于偏压加强形核(BEN)技术,人们可以在非金刚石基片上获得高的金刚石形核密度,进而获得较大面积的金刚石单晶外延层。在此过程中,施加于等离子体上的负偏压将导致等离子体中的低能正离子对非金刚石基片的表面造成轰击,而这种轰击作用被认为是诱发基片表面金刚石形核的关键步骤。基于偏压加强形核技术,近年来人们已实现了在Si,β-SiC,Ni,Pt,Ir等基片上金刚石膜的高取向度或异质外延生长。在众多可选的金刚石异质外延基片中,单晶Ir薄膜因其与金刚石较小的晶格失配度、不易形成碳化物、高的熔点、易于大面积制备等特点成为了金刚石异质外延的理想基底材料。

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施加250V偏压状态下的微波等离子体

       多年来,国际上众多学者尝试了在Ir/MgO,Ir/SrTiO3,Ir/SrTiO3/Si,Ir/YSZ/Si,Ir/CaF2/Si等不同外延材料体系中进行金刚石膜的异质外延并取得了很大的进展。2017年德国奥格斯堡大学技术团队就是用“异质外延生长技术”合成出了155ct的CVD单晶体钻石。虽然这个直径92mm的“盘状”钻石的厚度仅有1.6mm,但155ct的重量足以震惊世界。

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奥格斯堡大学制备的155ct金刚石圆片,直径比英国女王权杖上的宝石要大将近一倍

       相比之下,国内在异质外延金刚石膜方面的发展却较为缓慢,只有少数学者曾进行了高取向度金刚石膜的沉积工艺研究。

       要实现金刚石的异质外延,第一需要有适用的外延基片,第二需要对基片进行适当的偏压形核处理。而后者对CVD偏压设备提出了一定的结构要求。对于传统石英钟罩式和石英平板窗口的圆柱腔式MPCVD设备而言,等离子体上方有用于限定真空区域的微波窗口阻挡,这为设备在等离子上方设置偏压电极带来了不便。

       近年来,本实验室在MPCVD设备的研发方面取得了长足进展,所研发的可调谐圆柱谐振腔式MPCVD金刚石膜沉积装置因其具有独特的结构,尤其适合于被设计成偏压加强MPCVD装置。我单位利用改进的偏压加强MPCVD装置尝试在Ir(100)/MgO(100)基片上进行了金刚石异质外延形核,并取得了明显成果。

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金刚石异质外延核心的表面形貌:(a)趋于连续的金字塔状外延金刚石形核颗粒;(d)紧密排列的外延金刚石形核颗粒

       金刚石的异质外延涉及了异质外延基片的制备,偏压加强形核以及金刚石生长等多个阶段。尽管利用自行研制的偏压加强MPCVD装置在Ir表面实现了金刚石的异质外延形核。但要实现大面积异质外延高品质单晶金刚石膜,还有很远的路要走。德国奥格斯堡大学技术团队能够制备出直径92mm,155ct的金刚石圆片整整花费了26年的时间。我国在这一领域起步较晚,但是我们一定要有奋起直追的精神,早日实现我国超大尺寸单晶片和超大钻石的制备,促进我国相关行业的进步。

金刚石刀具网正式上线
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