单晶金刚石薄膜异质外延生长最新进展

引言

近日，厦门大学张洪良教授课题组和凯发k8国际在高起点新刊Electron发表了题为“Recent progress on heteroepitaxial growth of single crystal diamond films”的综述文章。

文章探讨了单晶金刚石薄膜异质外延生长的原理、挑战、结构和电子性质及潜在应用，并指导了该新兴领域的未来研究方向。文章指出，金刚石是一种具有卓越物理和化学性质的终极半导体材料，拥有超宽带隙、出色的载流子迁移率、极高的热导率以及稳定性。这使其在包括电力电子、散热、传感器和光电器件在内的多种应用中极具吸引力。然而，生长出大尺寸且高质量的单晶金刚石薄膜是一大挑战，这对于充分发挥这种神奇材料的潜力至关重要。异质外延生长是一种有望实现大尺寸（可达3英寸）且电性能可控的单晶金刚石晶片的有前景的方法。本综述概述了使用微波等离子体辅助化学气相沉积进行金刚石异质外延的最新进展，包括异质外延生长的机制、衬底的选择、薄膜优化、化学缺陷及掺杂。此外，文章还讨论了近期在器件应用领域单晶金刚石薄膜异质外延生长的研究进展，并对其研究前景进行了展望。

1. 金刚石异质外延生长的重要性

异质外延金刚石生长作为扩大单晶金刚石尺寸的一种有前景的方法，近年来受到研究人员的重视。生长的技术路线图如下图1。例如，利用铱/氧化钇稳定氧化锆（YSZ）/Si(001)异质衬底生长出92 mm的异质外延金刚石晶圆。该方法的重要意义在于，它能提高金刚石的可用衬底尺寸、生长控制性、可扩展性和成本效益。然而，异质外延技术也存在一个显著缺点，即缺乏适合高质量异质外延生长金刚石晶圆的衬底，这导致与同质外延生长相比，异质外延生长的位错密度更高。研究者已经使用了多种技术来测量异质外延金刚石中的位错密度，包括共焦拉曼成像技术、选择性蚀刻技术以及表征技术，如X射线形貌术和光致发光成像技术、截面透射电子显微镜和蚀坑法。研究表明，高位错密度会对金刚石的电子性能产生负面影响，给实现高质量金刚石电子器件带来了挑战。外延侧向过生长（ELO）和图案化成核生长是降低位错密度和提高异质外延金刚石晶体质量的有前景的方法。

图1. 单晶金刚石异质外延生长示意：实现用于电子器件的高质量金刚石晶圆。

2. 金刚石异质外延生长研究进展

研究人员普遍认可在铱衬底上大规模生产单晶金刚石异质外延方面所取得的重大进展（见图2）。铱作为高品质结晶金刚石理想衬底的卓越特性。然而，已实现的异质外延单晶金刚石的位错密度为10⁷ cm^-2量级，无法作为电子元件的衬底使用。2017年，成功制备出了92 mm（155克拉）的异质外延金刚石晶圆，其(004) X射线摇摆曲线的半峰全宽为230弧秒，(311) X射线摇摆曲线的半峰全宽为432弧秒，位错密度约为4 × 10⁷ cm^-2。它们的尺寸和结构质量符合切割工具或红外光学元件的商业应用要求。然而，由于铱膜与硅衬底之间的YSZ缓冲层引起的额外应变，金刚石层中的应变控制仍然具有挑战性。此外，在完成异质生长后，将硅衬底从金刚石层上均匀剥离也极具挑战性。因此，尚未有基于这些金刚石薄膜的器件开发报道。为了通过减少晶格失配和热膨胀系数差异相关的应力累积，利用异质外延生产自支撑金刚石，人们已广泛研究了基于原子级平坦台阶衬底表面、金刚石图案和微针的先进概念。另一方面，金刚石微图案生长技术成本高昂且工艺复杂（图3A）。为了成功实现制造过程，人们发明了一种在错位铱/蓝宝石衬底上采用台阶流金刚石生长模式的新技术，以大幅减少金刚石膜中的内应力。最近，研究者在阶梯状Al₂O₃ (11-20)衬底上使用1 µm厚的铱层生长出高品质的独立异质外延金刚石晶片（图3B）。(004) 和 (311) 衍射峰的XRC半峰全宽（FWHM）值分别为98.35弧秒和175.3弧秒，位错密度最低达到2.6 × 10⁷ cm^-2。

图2. 高质量单晶金刚石从同质外延到异质外延生长模式的发展趋势。

图3. (A) 1英寸异质外延金刚石生长简化微图案技术。(B) 新型a平面蓝宝石衬底2英寸自支撑异质外延金刚石梯流生长模式。

3. 异质外延金刚石薄膜电力电子应用

金刚石已成为电力电子领域的首选半导体材料，为广泛应用的领域带来了全新的解决方案。其独特的性能使异质外延单晶金刚石薄膜成为推动大功率系统、高频操作、高温及恶劣环境等领域进步的关键因素。此外，高结晶质量的金刚石有望提升效率、促进新兴技术的发展、增强储能能力并加固电网基础设施。最近，成功制备2英寸高结晶质量异质外延金刚石晶圆，为高效电力电子器件（如肖特基势垒二极管（SBD）、场效应晶体管（FET）、双极结型晶体管（BJT）等）的研发为商业化开辟了道路。这些器件具备出色的高压、高电流及高温处理能力。

3.1异质外延金刚石肖特基二极管

近期，利用离子注入技术已实现了具有高反向击穿电压达1.65 kV的异质外延金刚石SBD；然而，该值仍远低于同质外延金刚石基SBD的4.61~12.4 kV。当前研究主要聚焦于通过减少晶体缺陷、优化生长条件以及开发新型器件结构来提升异质外延金刚石基SBD的性能，这表明异质外延金刚石SBD在高功率高温电子设备中的应用前景光明。图4A展示了当前最先进的金刚石SBD的反向击穿电压与比导通电阻的基准值，表明金刚石异质外延正朝着金刚石同质外延的性能方向靠近。尽管关于异质外延金刚石基BJT的文献较少，但日本国家先进工业科学技术研究院的研究人员制造了一种基于 (001) 取向的高温高压（HTHP） IIb型金刚石基BJT，其掺杂硼[B]浓度为6 × 10¹⁹ cm⁻³，在298 K时表现出约3 Ω cm的电阻率、1.7 kV的反向击穿电压以及673 K的最高工作温度，这使得该器件在功率放大器和高速开关电路等应用中颇具吸引力。有趣的是，具有2 μm厚漂移层的金刚石p-i-n二极管已显示出超过11 kV的高记录反向击穿电压，且估算的击穿电场（EBD）超过3.6 MV cm^-1。台面结构器件表现出减小的反向泄漏电流。此外，还探索了肖特基-p-n二极管等新型器件架构。

图4. 金刚石基 (A) SBD和 (B) FET的比导通电阻与击穿电压。

3.2异质外延金刚石场效应晶体管

针对高温和高辐射环境下的电力电子应用，人们研究了多种金刚石FET架构，包括金属半导体场效应晶体管（MESFET）、p-n结型场效应晶体管（JFET）、氢终端积累型场效应晶体管（HFET）、氧终端反转型沟道场效应晶体管和金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。

异质外延金刚石JFET代表了半导体器件中的尖端技术。与金刚石MOSFET不同，金刚石JFET的器件失效通常是由漏极栅极氧化物击穿而非金刚石材料本身引起的，而金刚石JFET使用金刚石作为沟道材料，因其卓越的性能，成为航空航天、军事和电信行业中的理想选择。

研究者设计的器件表现出586 V的栅极-漏极VBD，对应于6.2 MV cm⁻¹的高EBD（超过了4H-SiC和GaN的极限），这是通过使用最佳微波化学气相沉积（MPCVD）条件选择性生长n⁺-金刚石而形成的优异p-n结所致。至于MESFET，B掺杂的异质外延金刚石器件在高频放大器、功率电子器件和耐辐射电子器件中显示出巨大潜力，能够在高温下承受超过1.5 kV的电压。总体而言，异质外延金刚石FET标志着半导体技术的一项突破（见图4B），为创建多种用途的更有效和更可靠的电子设备提供了机会。然而，为了优化可扩展性、提高器件性能并将基于金刚石的器件集成到实际系统中，还需要进行进一步的研究。

结论

由于单晶金刚石具有卓越的特性，在各类电子行业，特别是大功率、高频、高温应用中的潜在应用，其异质外延生长已引起了广泛关注。尽管金刚石与异质衬底之间存在晶格和热失配带来的挑战，但近年来已取得了显著进展。MPCVD技术的发展使得能够在合适的衬底上合成高质量金刚石晶圆。由于Ir衬底与金刚石的晶格匹配度高且能在高温下保持稳定，已成为金刚石异质外延的有前景的候选材料。Ir(001)衬底的外延生长和表面预处理方法的进步促进了原子级平坦台阶的形成，从而促进了金刚石薄膜的成核和初始生长。最近的研究表明，已成功在各种衬底上，尤其是Ir/蓝宝石衬底上，实现了单晶金刚石薄膜的异质外延生长，为金刚石在电子行业中的潜在应用铺平了道路。异质外延金刚石SBD和 FET的实现，证明了这项技术在电子设备中的可行性。不过，仍需进一步研究以应对其他挑战，如提高晶体质量、增加薄膜厚度和实现大面积生长。此外，探索替代衬底和优化生长条件可能会带来更高效和更具成本效益的工艺。随着对高性能电子设备的需求持续增长，单晶金刚石薄膜的异质外延生长前景广阔。随着合成技术的进步和对生长机制的深入理解，异质外延金刚石可能会彻底改变电子行业，并推动利用金刚石卓越特性的各种应用的发展。

论文信息

Uwihoreye V, Hu Y, Cao G, Zhang X, Oropeza FE, Zhang KHL. Recent progress on heteroepitaxial growth of single crystal diamond films. Electron. 2024;e70. http://doi.org/10.1002/elt2.70

作者简介

本论文第一作者为厦门大学博士生Uwihoreye V，your brief Bio, in Chinese. Ask Yushuo to help. 通讯作者为厦门大学特聘教授张洪良。

课题组主页：http://khlzhang.xmu.edu.cn/index.htm

稿件来源：Electron 未来材料电子行为-公众号