金刚石装置或结构以及用于生产金刚石装置或结构的方法

本发明涉及金刚石装置和结构以及用于生产金刚石装置和结构的方法。本发明具体涉及包括金刚石引晶(seeding)的金刚石装置和结构以及用于生长高质量金刚石的晶种点播(seed dibbling)方法。这样的金刚石装置或结构可用于例如电子装置和集成电路(ic)、金刚石热扩散器(heat spreader)、近结热扩散器以及珠宝、机械部件、光学和光子装置、传感器和检测器、生物医学装置和切削/加工工具。

背景技术：

1、金刚石和gan的整合(integration)对于热管理目的以及针对电力电子应用和新型半导体异质结构将其卓越的互补属性进行结合一直被高度探讨。然而，由于高晶格和热膨胀不匹配，在gan上生长金刚石具有挑战性。金刚石到gan的较弱的粘附力(adhesion)并且沉积之后较高的残余应力通常会导致金刚石膜分层或产生裂纹，从而阻碍后续的装置制造。

2、由于诸如高热导率、宽带隙、大击穿电场和高空穴迁移率的优异属性，金刚石被认为是用于电力电子应用的潜在的优秀材料1。另一方面，gan也是一种宽带隙半导体，具有大的临界电场、高电子迁移率和饱和速度，并且在具有成本效益的硅基gan(gan-on-si)晶片上具有大规模制造能力2。

3、金刚石膜的高热导率3,4已被用作gan电力电子装置的热管理的热扩散器，并表现出显著降低的热阻并消除了gan高电子迁移率晶体管(hemt)5-10以及垂直gan装置11的热点和温度梯度。

4、此外，虽然高性能n型gan装置(例如具有低电阻和高电压能力的hemt)目前被用于许多电力电子应用12，但p型gan的性能仍然受到限制，这主要是由于空穴迁移率低和gan中mg掺杂剂的活化不良13。另一方面，金刚石对于具有高空穴浓度和迁移率的p型电力电子装置具有优异的属性，但仍缺乏浅能级n型掺杂剂14。结合作为p型半导体的金刚石和作为n型半导体的gan的互补属性，金刚石与gan的整合可以为新型装置和集成电路(ic)开辟新的可能性。

5、对于金刚石-gan整合提出了不同的策略，并且最常见的方法是将gan整合在金刚石衬底上15-17。然而，由于可用金刚石衬底的尺寸小且成本高，金刚石基gan衬底可能仅用于高端应用2。

6、通过将金刚石整合在具有成本效益的硅基gan衬底上，提出了一种低成本方法，其中，在algan/硅基gan衬底上展示了金刚石晶体管，即使不抛光粗糙的金刚石表面，也具有出色的装置特性18。然而，原生(as-grown)金刚石的高粗糙度对使用平面制造方法的晶片加工施加了限制。因此，抛光是获得光滑的金刚石表面和可靠的制造工艺的重要步骤。然而，由于金刚石和gan之间的热膨胀系数(cte)不匹配(28％不匹配)19，cvd金刚石膜在生长期间会产生高残余应力(>1.5gpa)20。由于金刚石到gan的附接相当弱，如此高的残余应力会导致膜分层或破裂，并且金刚石膜无法承受抛光步骤的高机械应力。

7、金刚石到gan的弱附接(主要通过弱范德华相互作用21)以及膜中存在的高应力已成为导致金刚石膜容易分层的严重问题20,22。目前，金刚石在gan上的低应力高粘附力生长及其抛光仍然是一个巨大的挑战。

8、因为形成强共价碳化物键23-26，其也可以保护gan在cvd反应器中在氢等离子体条件下温度高于600℃时免于分解22，一些研究提出了使用aln、sin或sic夹层来提高粘附力。然而，gan和金刚石之间存在额外的薄膜会引入高边界热阻(thermal boundaryresistance(tbr))并限制热传导27。

9、生长之前的金刚石引晶步骤也会影响金刚石膜的质量、晶粒大小、热导率和tbr28,29。使用密度高于1011cm-2的金刚石纳米晶种对衬底进行高密度引晶可以引发快速生长和金刚石膜聚结，这可以最大限度地减少gan在氢等离子体环境中的分解，并且从而提高粘附力30。最近的研究已经实验了使用微米晶种和纳米晶种的混合大小的金刚石引晶，以在gan和aln上生长cvd金刚石膜31。然而，由于粘附力弱，在gan上生长金刚石并不成功。

技术实现思路

1、本发明通过提供根据权利要求1的金刚石装置或结构以及根据权利要求48的用于生产金刚石装置或结构的方法来解决上述限制。

2、可以在从属权利要求中找到其他有利特征。

3、本公开的金刚石装置或结构以及用于生产金刚石装置或结构的方法解决了与金刚石到下伏层和/或衬底的粘附相关的上述问题。

4、特别地，确保了对例如gan的改进的粘附。

5、尽管金刚石对gan的粘附特别重要，但是其在本文中显示为本发明的概念验证，并且本公开的金刚石装置或结构以及用于生产金刚石装置或结构的方法不限于确保提高仅对gan的粘附力，而是同样适用于提高金刚石对其他一种或多种材料的粘附力。

6、这里，提出了一种用于生产金刚石装置或结构的方法，该方法是一种用于在异质衬底(例如硅基gan)上高效引晶和生长金刚石的晶种点播方法，该方法能够以大晶粒、低残余应力和对衬底的优良粘附力生长高质量金刚石膜。该方法依赖于衬底的微结构化以及使用微米和纳米晶种的引晶。该晶种点播方法提供了解决金刚石膜生长之后分层问题的金刚石装置和结构，并且能够对生长在例如gan衬底上的金刚石膜进行可靠的抛光，以获得光滑的gan基金刚石衬底。

7、有利地，用于引晶和生长或沉积高质量金刚石膜的晶种点播方法可以在例如具有成本效益的硅基gan衬底上执行。与常规方法相比，在硅基gan上生长的示例性高质量金刚石膜具有例如95％sp3/sp2比率、明显更大的晶粒和更低的残余应力(低至0.2gpa)。

8、该方法不仅限于生长高质量的金刚石，还可以用于生长其他质量的金刚石和其他应力，以及单晶、多晶、微晶、纳米晶和超纳米晶膜，无论材料中是否存在(点和/或延伸的)缺陷、杂质和掺杂剂。

9、此外，通过该方法获得的优异粘附力使得能够对在例如硅基gan上生长的金刚石膜进行可靠的抛光，而不会出现任何分层，从而产生例如具有亚纳米均方根粗糙度的光滑的gan基金刚石衬底。该方法为基于gan基金刚石平台开发高性能电力电子装置和具有出色的热管理的其他电子装置、集成装置以及异质结构装置开辟了许多新的可能性。

10、另外，该方法不仅限于硅基gan衬底，还可以扩展到其他衬底或材料，以将金刚石的优异性质与其他种类的装置结合。

11、例如，该方法可用于在微机械零件(例如但不限于(微)机械部件、由不同材料(例如但不限于、钢、不锈钢、蓝宝石、硼硅酸盐、石英、氧化铝、碳化钨)制成的切削工具)上沉积金刚石层或材料。本公开的该方法还可用于在由不同种类的材料制成的传感器和/或生物传感器、检测器和/或生物检测器上沉积金刚石层或材料。

12、本公开的方法还可以确保形成和/或产生不同种类材料的光子平台的金刚石层或材料的沉积。本公开的该方法还可以确保在不同种类的材料上形成和/或产生诸如nv中心阵列的色心(color-center)的金刚石层或材料的沉积。

13、本公开的方法还可用于沉积具有不同半导电行为的金刚石，包括具有不同掺杂浓度的本征、未掺杂、无意掺杂、掺杂(n型和/或p型)金刚石层。该方法可用于确保沉积具有不同热导率(例如在50w/m.k至3000w/m.k之间)的金刚石用于热管理应用。

14、本公开的方法还可以用于通过不同的cvd沉积方法(例如但不限于等离子体增强(或微波等离子体)cvd、低温等离子体cvd、大气等离子体cvd、等离子体炬管和热灯丝cvd)沉积金刚石层或材料。

15、通过参考示出本发明的一些优选实施例的附图对以下描述的研究，本发明的上述和其他目的、特征和优点以及实现它们的方式将变得更加明显，并且可以更好地理解本发明本身。