金剛石具有寬帶隙，高熱導(dǎo)率，高載流子遷移率，低介電常數(shù)等優(yōu)越特性，在各領(lǐng)域中有著巨大的應(yīng)用價(jià)值。其中，金剛石單晶更以其沒(méi)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(lǐng)域中應(yīng)用的最佳選擇。近年來(lái)，化學(xué)氣相沉積方法同質(zhì)外延金剛石單晶的研究取得了長(zhǎng)足的發(fā)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(jià)格兩方面都難以滿(mǎn)足需求，在很大程度上限制了同質(zhì)外延方法人工合成大尺寸單晶金剛石膜的發(fā)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(zhì)外延單晶金剛石膜。借助于偏壓加強(qiáng)形核(BEN)技術(shù)，人們可以在非金剛石基片上獲得高的金剛石形核密度，進(jìn)而獲得較大面積的金剛石單晶外延層。在此過(guò)程中，施加于等離子體上的負(fù)偏壓將導(dǎo)致等離子體中的低能正離子對(duì)非金剛石基片的表面造成轟擊，而這種轟擊作用被認(rèn)為是誘發(fā)基片表面金剛石形核的關(guān)鍵步驟?；谄珘杭訌?qiáng)形核技術(shù)，近年來(lái)人們已實(shí)現(xiàn)了在Si，β-SiC，Ni，Pt，Ir等基片上金剛石膜的高取向度或異質(zhì)外延生長(zhǎng)。在眾多可選的金剛石異質(zhì)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(diǎn)、易于大面積制備等特點(diǎn)成為了金剛石異質(zhì)外延的理想基底材料。

施加250V偏壓狀態(tài)下的微波等離子體

       多年來(lái)，國(guó)際上眾多學(xué)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(jìn)行金剛石膜的異質(zhì)外延并取得了很大的進(jìn)展。2017年德國(guó)奧格斯堡大學(xué)技術(shù)團(tuán)隊(duì)就是用“異質(zhì)外延生長(zhǎng)技術(shù)”合成出了155ct的CVD單晶體鉆石。雖然這個(gè)直徑92mm的“盤(pán)狀”鉆石的厚度僅有1.6mm，但155ct的重量足以震驚世界。

奧格斯堡大學(xué)制備的155ct金剛石圓片，直徑比英國(guó)女王權(quán)杖上的寶石要大將近一倍

       相比之下，國(guó)內(nèi)在異質(zhì)外延金剛石膜方面的發(fā)展卻較為緩慢，只有少數(shù)學(xué)者曾進(jìn)行了高取向度金剛石膜的沉積工藝研究。

       要實(shí)現(xiàn)金剛石的異質(zhì)外延，第一需要有適用的外延基片，第二需要對(duì)基片進(jìn)行適當(dāng)?shù)钠珘盒魏颂幚?。而后者?duì)CVD偏壓設(shè)備提出了一定的結(jié)構(gòu)要求。對(duì)于傳統(tǒng)石英鐘罩式和石英平板窗口的圓柱腔式MPCVD設(shè)備而言，等離子體上方有用于限定真空區(qū)域的微波窗口阻擋，這為設(shè)備在等離子上方設(shè)置偏壓電極帶來(lái)了不便。

       近年來(lái)，本實(shí)驗(yàn)室在MPCVD設(shè)備的研發(fā)方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)展，所研發(fā)的可調(diào)諧圓柱諧振腔式MPCVD金剛石膜沉積裝置因其具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，尤其適合于被設(shè)計(jì)成偏壓加強(qiáng)MPCVD裝置。我單位利用改進(jìn)的偏壓加強(qiáng)MPCVD裝置嘗試在Ir(100)/MgO(100)基片上進(jìn)行了金剛石異質(zhì)外延形核，并取得了明顯成果。

金剛石異質(zhì)外延核心的表面形貌：(a)趨于連續(xù)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(zhì)外延涉及了異質(zhì)外延基片的制備，偏壓加強(qiáng)形核以及金剛石生長(zhǎng)等多個(gè)階段。盡管利用自行研制的偏壓加強(qiáng)MPCVD裝置在Ir表面實(shí)現(xiàn)了金剛石的異質(zhì)外延形核。但要實(shí)現(xiàn)大面積異質(zhì)外延高品質(zhì)單晶金剛石膜，還有很遠(yuǎn)的路要走。德國(guó)奧格斯堡大學(xué)技術(shù)團(tuán)隊(duì)能夠制備出直徑92mm，155ct的金剛石圓片整整花費(fèi)了26年的時(shí)間。我國(guó)在這一領(lǐng)域起步較晚，但是我們一定要有奮起直追的精神，早日實(shí)現(xiàn)我國(guó)超大尺寸單晶片和超大鉆石的制備，促進(jìn)我國(guó)相關(guān)行業(yè)的進(jìn)步。