[发明专利]一种大尺寸单晶金刚石外延片的拼接生长方法

说明书

本发明针对现有技术中大尺寸单晶金刚石拼接制备存在的缺陷，提供一种大尺寸单晶金刚石外延片的拼接生长方法，首先通过离子注入与分离技术，化学气相沉积后得到多片晶体取向严格一致的单晶金刚石外延片，然后将外延片沿一致的晶体取向排列并键合在衬底上后，实施平整化加工与离子注入，最后通过化学气相沉积并分离后得到大尺寸的单晶金刚石外延片，本发明可获得1‑6英寸的单晶金刚石外延片，且拼接界面处外延生长的晶体质量无明显退化。

技术领域

本发明属于大尺寸单晶金刚石制备技术领域，具体涉及一种大尺寸单晶金刚石外延片的拼接生长方法。

背景技术

作为电力、电子与信息技术发展的基础材料，以Si为代表的第一代半导体材料在器件的工作电压、功率损耗、器件响应速度等方面的性能已逐步接近理论极限，传统的Si半导体器件正面临着逐步更新换代。在大功率、低损耗、高温、高频等领域的应用需求促使了SiC、GaN、金刚石等新一批宽禁带半导体材料的出现。与Si半导体材料相比，金刚石的禁带宽度、击穿电场、载流子迁移率、热导率是Si的数十倍，且远超过SiC材料。因此，金刚石半导体器件在大功率、低损耗、高温、高频率等方面的应用具有更加显著的优势。

金刚石半导体器件开发解决的首要问题是大尺寸单晶金刚石材料的制备问题，微波等离子体化学气相沉积技术是研究领域内公认的最具优势的大尺寸单晶金刚石的制备方法。目前技术已普遍实现了8-10 mm高品质（金刚石1332 cm^-1拉曼峰半高宽小于2.6 cm^-1）单晶金刚石片的外延生长，但由于缺乏更大的籽晶作为单晶金刚石外延生长的衬底，应用于开发金刚石半导体器件的英寸级（1英寸）单晶金刚石晶圆的制备仍面临着重重困难。

目前，大尺寸单晶金刚石材料的制备过程中，通常采用将较小尺寸的单晶金刚石按照一致的晶体取向拼接生长的方法以获得更大尺寸的单晶金刚石，如Yamada在其研究中分别报导了1英寸和2英寸单晶金刚石的拼接生长方法[1，2]，证实了获得大尺寸单晶金刚石材料拼接生长的可行性，但由于其技术的复杂性和困难度，大尺寸单晶金刚石材料的制备问题目前仍未得到很好的解决。

参考文献

[1] “Fabrication and fundamental characterizations of tiled clones ofsingle-crystal diamond with 1-inch size” H. Yamada*, A. Chayahara, H.Umezawa, N. Tsubouchi, Y. Mokuno, and S. Shikata. Diamong Related Materials24 (2012) 29-33.

[2] “A 2-in. mosaic wafer made of a single-crystal diamond” H.Yamada*, A. Chayahara, Y. Mokuno, Y. Kato, and S. Shikata. Applied PhysicsLetters 104, 102110(2014)。

发明内容

本发明针对现有技术中大尺寸单晶金刚石拼接制备存在的缺陷，提供一种大尺寸单晶金刚石外延片的拼接生长方法，可获得1-6英寸的单晶金刚石外延片，且拼接界面处外延生长的晶体质量无明显退化。

本发明采用如下技术方案：

一种大尺寸单晶金刚石外延片的拼接生长方法，包括以下步骤：

步骤1，选取单晶金刚石作为衬底1，对衬底1沿(100)晶面方向切割并抛光后，在衬底1的主表面进行离子注入形成离子注入层，在所述离子注入层的表面化学气相沉积单晶金刚石外延层1，然后沿离子注入层对单晶金刚石衬底1与外延层1进行分离，即得单晶金刚石外延片，重复此步骤后得到多片晶体取向严格一致的单晶金刚石外延片；