牟草源，李根壯，謝文良，王啟亮，呂憲義，李柳暗，鄒廣田

（1.吉林大學物理學院超硬材料國家重點實驗室，長春 130012；2.吉林大學深圳研究院，廣東 深圳 518057）

1 引言

功率器件將電能從一種形式快速轉換為另一種形式，是電力系統(tǒng)的一項重大創(chuàng)新。在過去的幾十年中，基于Si材料的功率器件在電能利用方面發(fā)揮了主導作用。未來20年，電力消耗的能源預計將占總能源消耗的60%左右，且占比會越來越高，而傳統(tǒng)的Si基器件正逐漸逼近其材料理論極限。因此，開發(fā)基于新材料和新結構的功率器件從而不斷提高其功率密度和工作頻率是高效利用電能的基礎。金剛石作為一種超寬禁帶半導體，已成為下一代功率電子學和光電子學最有潛力的材料之一。與傳統(tǒng)的Si基器件相比，金剛石器件具有高載流子遷移率、高熱導率、低熱膨脹系數(shù)、高臨界電場等眾多優(yōu)勢，可用于火車、船舶、可再生能源系統(tǒng)和電力干線系統(tǒng)的大功率發(fā)電機及逆變器等高壓領域。發(fā)展金剛石功率器件滿足碳達峰與碳中和等重大社會需求，已被國家列入“戰(zhàn)略性先進電子材料”重點專項。

目前，Si和SiC器件采用絕緣柵雙極晶體管（IGBT）及超結（SJ）晶體管等新型器件結構以提高功率密度和效率。雙極型器件的電導調(diào)制效應雖然能有效降低正向導通電阻，但其高開啟電壓亦會明顯增大器件的正向導通損耗。而金剛石材料的高臨界擊穿電場使得在相同耐壓等級時器件具有更低的電容及導通電阻。因此，金剛石肖特基勢壘二極管（SBD）和金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）等低損耗、單極性器件有望替代現(xiàn)有的Si和SiC雙極型器件。另一個能夠實現(xiàn)低損耗的因素是金剛石器件可以快速開關和高頻操作（通常為幾微秒），從而大幅減小功率模塊中的電容、電感等無源器件所占的體積。而對于超過10 kV的極高電壓應用，金剛石雙極型器件是一個有希望的候選者。此外，金剛石的深摻雜能級在高溫下會明顯增加載流子數(shù)量，從而補償因“載流子散射”引起的遷移率的降低，使得金剛石器件的輸出電流在150～250℃維持恒定[1]，這一特性激發(fā)了業(yè)界對在自熱溫度下運行且無需冷卻的新型高輸出功率器件模塊的研究興趣。從功率器件的量產(chǎn)角度來看，半導體材料需要達到高純度、低缺陷密度、高載流子濃度與遷移率以及英寸級晶圓面積等要求。然而，濃度精確可控的摻雜技術和高品質大面積單晶襯底的制備技術仍是金剛石材料與器件商業(yè)應用面臨的挑戰(zhàn)。因此，制備英寸級的單晶金剛石（SCD）已經(jīng)成為近幾十年甚至是未來幾十年一個亟待解決的任務。

2 大尺寸金剛石單晶晶圓的生長技術路線

在過去的70年里，業(yè)界通過高溫、高壓（HPHT）技術以及化學氣相沉積（CVD）技術成功實現(xiàn)了SCD的人工合成。雖然通過HPHT技術獲得的SCD具有極低的位錯密度，但是其制備過程中使用的催化劑引入了雜質元素，使得摻雜濃度難以精確控制。此外，生長裝置限制了HPHT金剛石的尺寸（直徑一般小于15 mm）。CVD技術可以精確監(jiān)控金剛石的生長條件，以獲得氮濃度只有百萬分之幾百的高結晶質量金剛石，并且通過調(diào)整生長過程的化學反應可更好地控制摻雜劑的摻入。目前，CVD生長大尺寸金剛石主要發(fā)展出3種主要技術：單顆生長技術、拼接生長技術以及異質外延生長技術，大尺寸金剛石單晶生長技術路線如圖1所示。單顆生長技術的優(yōu)勢在于其生長晶體質量相對較高，位錯密度相對較?。ù蠹s在104cm-2量級）。但金剛石單晶隨著生長次數(shù)的增加會出現(xiàn)晶格劣化現(xiàn)象，英寸級金剛石單晶較難獲得。拼接生長技術的優(yōu)勢在于可以快速獲得大尺寸單晶金剛石且可以繼承籽晶的高結晶質量，但由于拼接縫區(qū)域存在大量位錯和累積應力，拼接縫的彌合仍然面臨挑戰(zhàn)。異質外延生長單晶金剛石的尺寸只取決于襯底尺寸，因此異質外延技術相較于前面2種方法更易實現(xiàn)大尺寸單晶的生長。但襯底與金剛石之間的晶格常數(shù)失配及熱失配使生長的金剛石位錯密度通常高達106～108cm-2。因此，襯底表面需要在生長金剛石之前沉積工藝復雜的多層結構應力緩沖層。一般來說，單顆生長技術可以為拼接生長提供相應的籽晶，而通過拼接生長或者異質外延生長獲得的金剛石在進一步外延生長時又需要采用單顆生長技術。

圖1 大尺寸金剛石單晶生長技術路線

2.1 單顆金剛石生長的發(fā)展歷程及進展

單顆金剛石外延的發(fā)展歷程可以分為單面快速生長和多晶面三維生長2個階段。其中，三維生長是利用晶體的同一晶面族之間的對稱性來生長大尺寸單晶金剛石。利用CVD技術生長單晶尤其是大尺寸晶體時需要尋求高結晶質量和高生長速率模式之間的平衡。通常，CVD外延生長對許多工藝參數(shù)非常敏感，例如反應腔體中的氣體壓力、甲烷濃度、襯底溫度、微波功率密度、氮氣流量、襯底托的形狀等。研究顯示，金剛石的生長速率與甲烷濃度成正比，然而，高濃度的甲烷會產(chǎn)生更多的C2基團，導致缺陷密度增加。此外，甲烷濃度超過一定值時會導致腔體內(nèi)產(chǎn)生大顆粒煙塵而使生長中斷。襯底溫度的升高也會顯著增加生長速率，但同時也會促進本身缺陷的生長而在表面出現(xiàn)金字塔型孤島。高速單晶生長的突破性進展出現(xiàn)在2009年，美國的LIANG等人[2]通過添加N2，在4.6×104Pa的高壓強中實現(xiàn)了165μm/h的生長速率并最終獲得了厚度為18 mm的單晶金剛石。FRAUENHEIM等人[3]認為摻入金剛石晶格的N原子存在孤對電子，孤對電子更傾向于排斥含有π鍵的CH2基團而提高生長表面處只含σ鍵的CH3基團的濃度，進而導致宏觀上的生長速率提升。因此，他們預測當下一代微波等離子體化學相沉積（MPCVD）設備能夠在高于1×105Pa的腔室壓強下產(chǎn)生穩(wěn)定的等離子體時，生長速率將增加到1 mm/h。為了在保持高生長速率的同時實現(xiàn)高結晶質量，SHIMAOKA團隊[4]在生長氣源中添加O2以降低雜質濃度，但是由于含氧基團的刻蝕作用，會在一定程度上降低生長速率（38μm/h）。吉林大學的研究團隊在正常生長條件下添加適量的CO2，在保證結晶質量的同時實現(xiàn)了高達70μm/h的生長速率[5]。光發(fā)射譜（OES）和光致發(fā)光光譜（PL）測試結果表明，CO2所分解出的含碳基團作為生長金剛石的碳源，對生長速率起到促進作用。而含氧基團一方面作為活化劑提高生長速率，另一方面可以與含碳基團形成CO，抑制C2基團的生成并提高結晶質量。類似地，在生長氣源中添加適量的N2O同樣可以實現(xiàn)135μm/h的高速、高質量單晶生長[6]。由于縱向生長時籽晶的側面也存在橫向生長現(xiàn)象，因此，通過生長厚的CVD層可以將籽晶的表面積擴大[7]。NAD等人[8]采用優(yōu)化設計的襯底托生長金剛石時，橫向SCD表面積比初始金剛石籽晶表面積增加了1.7～2倍。隨著915 MHz的微波等離子體輔助CVD設備的發(fā)展，LIANG等人同時生長了300顆單晶金剛石[9]。

然而，籽晶的邊緣處通常會聚集等離子體，從而在邊緣處產(chǎn)生更高濃度的生長基團、更高的生長溫度及更高的生長速率。這種“邊緣效應”[8]導致長時間生長時，籽晶邊緣出現(xiàn)多晶金剛石、缺陷和殘余應力，從而阻礙單晶金剛石的生長。哈爾濱工業(yè)大學LI等人[10]提出了減薄籽晶厚度的方法，在260μm的籽晶上生長30 h后得到無邊緣多晶的金剛石。理論模擬結果表明，籽晶邊緣的電子濃度及電場強度隨著厚度變小而明顯降低，且在表面的分布會變得更加均勻。然而，金剛石籽晶的厚度隨著生長的進行會逐漸增大，該方案無法長時間連續(xù)生長。YAMADA等人[11]提出使用封閉式襯底托來進行單晶金剛石的生長，單晶金剛石生長籽晶托如圖2所示，通過將籽晶表面下降到襯底托中一定深度，獲得了邊緣無明顯多晶的大尺寸金剛石單晶。一方面，襯底托能改變等離子體的局部放電狀態(tài)，緩解了等離子體在籽晶邊緣處的聚集；另一方面，金屬襯底托包圍整個籽晶，可以促進邊緣的熱擴散，從而平衡表面的溫度分布。在此基礎上，2005年，日本AIST的MOKUNO等人使用3 mm×3 mm×0.5 mm的HPHT金剛石籽晶，經(jīng)過9次重復生長，成功獲得搖擺曲線半高寬（FWHM）只有37″的高質量單晶金剛石，這證明了可以在HPHT籽晶上生長尺寸超過10 mm×10 mm的高質量、大尺寸單晶金剛石[12]；同年，他們使用5 mm×5 mm×0.7 mm的HPHT單晶金剛石籽晶，經(jīng)過24次重復生長，最終制備出10 mm厚的單晶金剛石[13]。吉林大學團隊系統(tǒng)探究了籽晶在襯底托中的空間位置對生長模式的影響并發(fā)現(xiàn)了“單晶生長區(qū)”[14]。隨著籽晶表面與襯底托表面的距離增大，籽晶邊緣的等離子體聚集現(xiàn)象逐漸減弱，生長狀態(tài)由凸起的多晶逐漸轉變?yōu)槠教股L的平面。但是，當籽晶深度超過一定值后，等離子體被襯底托完全吸引而大幅降低了生長速率，籽晶邊緣的生長受到抑制而內(nèi)縮。通過增大籽晶邊緣與襯底托之間的間距，可以適當提高邊緣的等離子密度，從而改善生長狀態(tài)。因此，通過調(diào)節(jié)籽晶在襯底托中的深度和間距可以確定在封閉式襯底托中的適宜生長條件，籽晶在樣品托中的空間位置對生長模式的影響如圖3（a）所示。通過110 h的生長，籽晶尺寸從7 mm×7 mm增大到9 mm×9 mm，生長得到的樣品光學照片如圖3（b）所示，晶體邊緣無明顯多晶，金剛石邊緣的顯微鏡照片如圖3（c）所示。

圖2 單晶金剛石生長籽晶托

圖3 封閉性籽晶托生長大尺寸單晶金剛石

金剛石結構中同一族的晶面具有相同的生長特性，因此可以利用6個晶面均為（100）面的金剛石籽晶進行三維生長，三維生長大尺寸單晶金剛石方案如圖4所示。金剛石籽晶首先沿著某一個（100）面快速生長，使其厚度快速增加并保持表面邊緣無多晶，之后將金剛石旋轉90°，將原來側面的（100）面切割拋光后作為生長面，再進行高速率、高質量的外延生長，通過重復該生長過程可以使得金剛石籽晶面積進一步擴大。2009年，日本AIST的MOKUNO研究團隊以9 mm×9 mm的HPHT單晶金剛石為籽晶，采用三維生長技術，生長出1.27 cm的單晶金剛石，并結合離子注入和剝離技術成功將其剝離[15]。但這種生長方法需要進行多次切割、拋光及生長，一方面會大幅增加生長周期，另一方面，在籽晶加工過程中引入的缺陷隨著生長次數(shù)的增加會劣化結晶質量。

圖4 三維生長大尺寸單晶金剛石方案[12]

2.2 拼接生長實現(xiàn)英寸級金剛石襯底的研究進展及挑戰(zhàn)

單顆單晶金剛石的外延生長雖然取得了長足的進步，但是在面向產(chǎn)業(yè)應用的英寸級襯底方面仍然面臨嚴峻挑戰(zhàn)。因此，科研人員在橫向外延生長的基礎上創(chuàng)造性地提出了馬賽克拼接生長技術。該方案將多片金剛石籽晶緊密拼接在襯底托上，利用金剛石外延層生長過程中的橫向外延將所有的籽晶彌合為一個整體。結合離子注入或者激光切割工藝可以將外延層從籽晶上整體分離，從而得到英寸級單晶金剛石。

1991年，美國麻省理工學院林肯實驗室GIES等人[16]在圖形化的Si襯底上首次嘗試了金剛石的拼接生長，生長出質量近似單晶的大面積金剛石，然而其表面仍存在著肉眼可見的拼接縫。1995年，JANSSEN等人[17]發(fā)現(xiàn)使用結晶特征幾乎完全相同的（100）面籽晶進行馬賽克拼接生長更容易消除拼接縫而獲得單晶金剛石外延層，從而掀起了馬賽克法生產(chǎn)大尺寸金剛石的研究熱潮。1997年，F(xiàn)INDELING等人詳細討論了2～7塊籽晶拼接時金剛石外延層的生長模式，發(fā)現(xiàn)籽晶頂面與（100）面存在2°～5°的離軸角時有利于臺階流的生長。研究結果表明，拼接縫形貌及結晶質量取決于籽晶的結晶學取向、高度差和頂面離軸角的偏移方向（階梯流的方向）等因素[18-19]。1997年，德國弗萊堡大學SAMLENSKI等人提出“克隆”拼接生長方案，即利用切割或者離子注入技術從同一顆金剛石單晶上獲得結晶學性能幾乎一致的籽晶進行拼接生長。2010年，日本AIST的YAMADA研究團隊使用“克隆”拼接生長技術獲得了無明顯拼接縫的英寸級大面積金剛石襯底。2014年，該團隊將拼接金剛石的面積擴大到2英寸（40 mm×60 mm），這是目前通過拼接生長獲得的最大面積的金剛石[20]。國內(nèi)高校及科研院所在拼接生長領域發(fā)展相對較晚，2017年，哈爾濱工業(yè)大學研究團隊率先報道了采用拼接法生長金剛石，并使用共聚焦拉曼光譜檢測拼接縫處的應力與缺陷[21]。2020年，山東大學研究團隊通過拼接生長制備出了11.75 mm×11.75 mm的單晶金剛石[22]。

雖然馬賽克拼接生長技術在實現(xiàn)大尺寸金剛石單晶方面展現(xiàn)出極大的潛力，但拉曼光譜測試結果表明，拼接縫處生長出的單晶金剛石中存在大量的缺陷和應力[23]，應力區(qū)可延伸至距離拼接縫大約150μm的地方[24]，拼接縫區(qū)域的拉曼面掃測試結果如圖5所示。YAMADA等人發(fā)現(xiàn)1～2英寸的金剛石單晶容易在拼接縫處開裂，需要改變“克隆”籽晶的結晶取向進行調(diào)節(jié)。ANATOLY等人[25]發(fā)現(xiàn)籽晶的晶體取向會延續(xù)給拼接生長的單晶金剛石，籽晶取向偏差越大拼接縫區(qū)域產(chǎn)生的應力越大。POSTHILL團隊[26]通過含氧等離子體對拼接生長的單晶金剛石進行刻蝕，發(fā)現(xiàn)拼接縫區(qū)域存在比籽晶表面密度更高的刻蝕坑。2019年，日本AIST OHMAGARI團隊[23]利用透射電子顯微鏡確認了拼接生長的單晶金剛石拼接縫處位錯密度更高，但位錯隨著外延厚度的增加逐漸減少。該團隊進一步基于拼接生長的金剛石制備了肖特基二極管，馬賽克拼接金剛石及器件制備如圖6所示，團隊發(fā)現(xiàn)拼接縫處的缺陷會在一定程度上增大器件的反向泄漏電流，然而，器件的擊穿電壓即使在拼接縫處也高于3 MV/cm，說明其仍具有良好的產(chǎn)業(yè)應用前景。另一方面，籽晶“克隆”需要注入高能離子輔助籽晶的剝離，容易引入新的缺陷，導致籽晶晶體質量劣化且工藝復雜，不利于產(chǎn)業(yè)化應用[27]。

圖5 拼接縫區(qū)域的拉曼面掃測試結果[24]

圖6 馬賽克拼接金剛石及器件制備

2022年，TANAKA等人發(fā)現(xiàn)，使用熱絲CVD（HFCVD）拼接生長的金剛石拼接縫處的應力要明顯小于使用MPCVD法生長的金剛石，且偏轉角更小。這是由于鎢燈絲在高溫時產(chǎn)生的鎢在位錯周圍富集，從而緩解了位錯周圍的拉伸應變。該研究有效降低了接縫處的應力，為接下來生產(chǎn)大尺寸、高質量的馬賽克拼接金剛石奠定了基礎[28]。吉林大學的研究團隊對鏡面拋光的籽晶進行短時間預生長，以顯露其表面的臺階流，進而探究了臺階流對馬賽克拼接生長單晶金剛石的影響，發(fā)現(xiàn)具有一致臺階流的籽晶最容易實現(xiàn)拼接縫的平滑連接，且能夠獲得良好的結晶質量，籽晶臺階流取向對拼接縫界面形貌的影響如圖7所示。該方案表明，通過對拼接金剛石籽晶的臺階流進行選擇可以避免復雜的克隆工藝，降低成本。

圖7 籽晶臺階流取向對拼接縫界面形貌的影響

2.3 異質襯底外延實現(xiàn)英寸級金剛石襯底的研究進展及挑戰(zhàn)

生長英寸級金剛石另一種潛在的方法是選擇合適的異質材料作為襯底進行外延生長。從理論上講，只要能提供相應尺寸的襯底材料，就可以生產(chǎn)出滿足產(chǎn)業(yè)應用的大尺寸單晶金剛石。然而，襯底的晶體結構、晶格常數(shù)、熱膨脹系數(shù)及其在等離子體環(huán)境下的穩(wěn)定性會極大地影響金剛石薄膜的成核密度、生長取向及結晶質量。迄今為止，業(yè)界已經(jīng)在多種襯底材料上嘗試了金剛石的異質外延生長，如Si、SiC、TiC、Co、Pt、Ir、立方氮化硼（c-BN）、Al2O3、Ni和Re等，金剛石外延生長襯底的相關特性如表1所示。目前的研究結果表明，在Ir襯底上獲得的外延薄膜較其他襯底具有更好的結晶質量，因此，Ir襯底被認為是金剛石異質外延的最佳材料。通常，成核密度是實現(xiàn)單晶金剛石異質外延生長的一個重要因素。通過引入偏壓增強成核（BEN）的方法成功制備了高品質和高取向的金剛石薄膜。TSUBOTA與GOLDING等人研究了BEN方案中Ir表面的變化過程：粗糙度增加，出現(xiàn)納米碳膜以及產(chǎn)生在SEM下可視的晶核，而且晶核數(shù)量會隨BEN條件的變化而變化[29-30]。最近，KASU等人研究了藍寶石襯底上（001）取向Ir表面的初始成核生長機制，實驗發(fā)現(xiàn)原子級光滑的Ir表面在BEN處理后出現(xiàn)了高度為幾十納米的脊狀結構，且在脊狀結構內(nèi)成核的金剛石表面可以觀察到Ir的存在。因此，他們認為BEN處理時生長氣氛中的含碳基團溶解于Ir，進而Ir作為催化劑促進了金剛石晶核的產(chǎn)生及生長。該研究解釋了Ir表面可以獲得結晶質量更好的異質外延金剛石單晶的內(nèi)在機理，為獲得產(chǎn)業(yè)化的高質量、大尺寸單晶金剛石奠定了良好的基礎[31]。

表1 金剛石外延生長襯底的相關特性

然而，單晶Ir襯底價格昂貴，難以大批量獲得，因此，業(yè)界選擇在其他襯底材料上鍍一層高取向Ir薄膜形成復合襯底，用于金剛石的異質成核與生長。在過去的20年中，高取向的Ir薄膜被作為沉積單晶金剛石的緩沖層沉積在SrTiO3、氧化釔穩(wěn)定氧化鋯（YSZ）、藍寶石和MgO等材料上?；贗r緩沖層的特性可以發(fā)現(xiàn)，在異質外延襯底中SrTiO3的晶格失配低至1.7%。1985年，日本青山學院大學SAWABE等人和STRITZKER等人[32-34]在（100）MgO/SiTiO3表面沉積Ir薄膜進而異質外延，生長出（100）取向單晶金剛石。然而，SrTiO3材料表面不穩(wěn)定且熱膨脹系數(shù)較大（10.4×10-6/K），導致薄膜中存在較大的熱應力。綜合尺寸、成本、穩(wěn)定性及熱膨脹系數(shù)等因素，硅和藍寶石逐漸成為目前最常用的2種襯底材料。2017年，德國奧格斯堡大學SCHRECK團隊[34]成功地在Ir/YSZ/Si上生長出直徑為92 mm的異質外延單晶金剛石，X射線搖擺曲線（XRC）在（004）和（113）的FWHM分別為230″和432″，這是迄今為止面積最大的單晶金剛石，該異質外延金剛石及其外延流程如圖8所示。該研究成果極大地推動了金剛石外延生長的研究進程，讓人們看到金剛石半導體產(chǎn)業(yè)化的希望。然而，由于硅與Ir存在界面反應且與金剛石之間存在較大的晶格失配，通常需要采用復雜的工藝來制備緩沖過渡層。另一方面，早在2003年，SAW等人[35]開始探究（0001）面藍寶石表面金剛石的外延生長，發(fā)現(xiàn)在藍寶石襯底表面不需要制備緩沖層即可獲得高取向的Ir薄膜，這項研究推動了金剛石異質外延的發(fā)展。經(jīng)過多年的研究，人們發(fā)現(xiàn)（0001）面藍寶石表面傾向于獲得（111）取向的Ir薄膜及（111）取向的金剛石，而（110）面藍寶石表面傾向于獲得（001）取向的Ir薄膜及（001）取向的金剛石[36]。為了獲得臺階流表面，通常需要在管式爐中利用空氣氣氛退火（110）面藍寶石襯底，在1450℃退火15 h可獲得具有單個或多個原子臺階的階梯表面。此外，藍寶石襯底上Ir的結晶取向與濺射時襯底溫度直接相關。X射線衍射（XRD）分析結果表明，在600℃時濺射獲得的Ir薄膜完全是（111）取向，而在700℃和750℃時（100）取向逐漸占主導地位，800℃或以上時幾乎完全是（100）取向。實驗同時發(fā)現(xiàn)濺射功率較低時，Ir薄膜表面存在大量山丘狀缺陷及孔洞。濺射功率增加至100 W時，薄膜完全覆蓋，且結晶性能變好。這是由于較高的濺射速率可以使更多的Ir原子到達襯底表面并填充島之間的孔洞，形成連續(xù)薄膜。低功率更多呈現(xiàn)（111）取向，而高功率逐漸呈現(xiàn)（001）取向[37]。2020年，KIM等人[38]報告了在（001）Ir/（110）面藍寶石襯底上成功制備出1英寸高品質自支撐異質外延（001）金剛石。2021年，KIM等人[39]利用不同取向角的藍寶石襯底形成臺階流生長，降低外延材料中的應力，獲得了直徑為2英寸的高質量自支撐（001）金剛石層。由于應力的釋放，在降溫過程中自然剝落的金剛石層厚度為800～1000μm，晶體中位錯密度在107cm-2量級。

圖8 直徑為92 mm的硅襯底異質外延金剛石及其外延流程[40]

近年來，KIM等人[38]報道了在通過異質外延生長獲得的金剛石晶圓上制備的場效應晶體管，其具有19.74 mΩ·cm2的比導通電阻，2608 V的高擊穿電壓及344.7 MW·cm-2的Baliga品質因數(shù)，這是迄今為止報道的最高值。KWAK團隊[41]在藍寶石襯底異質外延獲得的金剛石上制備了肖特基勢壘二極管，理想因子為1.4，最大擊穿電場為1.1 MV/cm。然而，由于異質外延材料中存在較高密度的45°混合型位錯，會引起較大的泄漏電流或提前擊穿現(xiàn)象。此外，在金剛石基電子器件應用領域，（111）取向的金剛石相較于其他晶面顯示出明顯優(yōu)勢。由于具有更高的氫終止密度，（111）面金剛石是制備大電流和高頻工作器件的理想材料。異質外延生長（111）面金剛石近年來也逐漸受到學界的重視，但是其仍然處于發(fā)展初期[42]。

3 結束語

隨著功率半導體的迅猛發(fā)展，金剛石基功率器件的產(chǎn)業(yè)化需求變得越來越迫切。近年來，適用于功率器件應用的大尺寸單晶金剛石的外延生長取得了長足的進步。然而，目前的材料表征及器件測試結果表明，大尺寸單晶金剛石的外延生長還存在諸多關鍵挑戰(zhàn)。

首先，從實現(xiàn)大尺寸單晶襯底生長來看，異質外延和拼接生長方案更容易實現(xiàn)，但結晶質量不如單顆金剛石同質外延生長。同質外延金剛石中的位錯密度為103～106cm-2，而異質外延生長獲得的金剛石薄膜位錯密度為106～108cm-2。利用拼接生長獲得的樣品則在拼接縫邊緣存在高密度缺陷及應力分布。因此，如何進一步降低金剛石的位錯密度是大尺寸單晶襯底生長面臨的主要挑戰(zhàn)之一。目前業(yè)界認為有2種方法最為有效，一種為圖形化襯底橫向外延生長（ELO），另一種方法為位錯湮滅技術。ELO利用金剛石材料的橫向外延生長聚合從而終止圖形化掩模下方位錯的傳播。位錯湮滅技術可以通過添加氮氣促進離軸生長，從而增加位錯相互作用的概率。還可以引入含有鎢金屬雜質的金剛石緩沖層，通過金屬與位錯的相互作用改變其傳播方向。

其次，在電子器件領域的應用需要金剛石材料具有高純度及低缺陷密度。而在金剛石外延生長過程中氣體源的純度、腔體的真空性能及石英窗口等均會引入一定量的氮、硅等雜質元素。這些雜質元素會顯著影響材料的光學、熱學及電學特性。如何抑制雜質的摻入是單晶金剛石外延生長面臨的另一個關鍵問題。目前業(yè)界認為通過添加一定量的氧氣可以有效降低金剛石材料中氮和硅的濃度，然而其機理尚未明確，有待進一步深入研究。