探索半导体新纪元：大尺寸单晶金刚石衬底技术的革新之路

发布时间：2024-11-05 09:30:45 | 浏览量： 106次

单晶金刚石，凭借其卓越的物理特性——超宽的禁带宽度、低介电常数、高击穿电压、杰出的热导率、优异的本征电子和空穴迁移率，以及无与伦比的抗辐射性能，被誉为半导体材料领域的“终极之选”。然而，尽管潜力巨大，单晶金刚石在半导体产业的大规模应用之路仍布满荆棘，尤其是大尺寸（英寸级）单晶金刚石衬底的制备技术，成为亟待攻克的核心难题。



大尺寸单晶金刚石工艺

化学气相沉积金刚石材料需达到英寸级大晶圆面积。大尺寸的天然金刚石材料储备有限、价格昂贵且质量参差不齐，难以满足工业化应用的需求，而MPCVD法沉积英寸级单晶金刚石的制备技术是目前需要突破的首要难题。

大尺寸单晶金刚石沉积工艺

1、异质外延沉积

衬底选择：历史上，科研人员尝试了多种衬底材料。虽然早期在非金刚石衬底和c-BN衬底上成功制备了金刚石，但这些材料因尺寸限制或难以获得大面积高质量单晶金刚石而逐渐被淘汰。单晶Si片因易于获取而备受关注，但Si与金刚石间较大的晶格失配度和表面能差异导致沉积的金刚石质量不佳。经过深入探索，Ir（铱）因其独特的性质成为目前唯一能实现高质量、大尺寸异质外延金刚石制备的理想衬底。

提高形核密度的工艺：偏压增强形核技术和离子辐照技术是提升形核密度的两大关键手段。偏压增强形核技术通过施加特定偏压显著提高形核密度，而离子辐照技术则为金刚石的形核创造了有利条件，两者均促进了高质量大尺寸单晶金刚石的沉积。

偏压增强形核技术：1991年，Yugo等最先提出偏压增强形核技术。该团队在偏压大小为某特定值时获得了1010cm-2的形核密度，随后将该技术应用于热丝化学气相沉积工艺中，同样也提高了形核密度。北京科技大学李义锋等利用偏压加强工艺开展了衬底的异质外延形核研究，使得外延层形核密度达108—109cm-2。

离子辐照技术：日本Othsuka等采用热阴极直流等离子体化学气相沉积结合离子辐照技术，在Ir/MgO（001）衬底上首次获得密度为108cm-2的异质外延金刚石颗粒。这种技术通过离子辐照为金刚石的形核提供了有利条件，促进了高质量大尺寸单晶金刚石的沉积。



2、三维生长法

该方法利用金刚石材料中同一族晶面的生长特性，通过多次生长和侧面打磨，逐步扩大籽晶面积。虽然已有成功案例，如通过多次重复生长获得大尺寸金刚石晶体，但该方法耗时较长，且对生长条件要求极高。

应用及局限Yamada等最早通过在生长过程中加入氮气并利用半封闭衬底托的方式，经过漫长的实验，在一个衬底上经过无加工的24次重复生长，成功获得了一颗10mm厚，重达4.65ct（1ct=200mg）的金刚石。还有研究人员通过在沉积过程中添加氮气在高压下实现了较快的生长速度并且成功制备出一颗18mm厚的单晶金刚石。



3、马赛克拼接

技术路线由Geis等人率先提出，通过在硅衬底上沉积多个小尺寸单晶金刚石籽晶，再经过特殊工艺拼接成近似单晶的大面积金刚石。尽管已取得一定进展，但该技术对籽晶质量和沉积环境要求极为严格，且拼接缝的存在可能影响材料的整体性能。



4、未来展望

单晶金刚石作为半导体材料的潜力巨大，但其大尺寸衬底的制备技术仍面临诸多挑战。随着科研工作的不断深入，期待未来能够突破技术瓶颈，实现大尺寸单晶金刚石在半导体领域的广泛应用。这不仅将为半导体产业带来革命性的变革，也将为人类社会的科技进步注入新的活力。

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