探测器级单晶金刚石材料的生长

2019-12-23刘金龙李成明朱肖华邵思武陈良贤魏俊俊

人工晶体学报 2019年11期

刘金龙，李成明，朱肖华，邵思武，陈良贤，魏俊俊

(北京科技大学新材料技术研究院，北京 100083)

由于优异的抗辐射性能，金刚石可以用于极端恶劣辐射环境中的辐射探测器材料。与其他探测器材料相比，金刚石具有优异的综合性质。光学性质方面，金刚石在从近紫外(225 nm)到红外很宽的范围内几乎透明，在使用过程中环境杂光对金刚石探测器的影响极小，无需加滤光片。热学性质方面，金刚石的热导率是自然界最高的(2000 W/mK)，使得金刚石辐射探测器可以在室温，甚至较高的温度下正常工作，无需像硅探测器那样外加冷却系统。电学性质方面，金刚石的禁带宽度大(5.5 eV)、电阻率高(>1010Ω·cm)、介电常数小(约5.7)，保证了金刚石器件的噪声小、信噪比高；金刚石的击穿电压高、载流子迁移率高，这使得金刚石辐射探测器可以承受高的工作电压，电荷收集效率高、时间响应快。此外，金刚石的原子序数Z=6，与人体软组织的等效原子数Zeff≈7.4非常接近，而且金刚石的密度比软组织大，所以辐射束在相同质量的金刚石和软组织内所损失的实际能量非常接近，加之金刚石无毒，与组织液不会发生化学反应，是理想的生物活体内置辐射剂量探测材料。

然而金刚石辐射探测器的探测性能受金刚石体内的杂质与缺陷影响显著。例如高的质量含量与缺陷密度不仅会增加金刚石的漏电流，探测信号无法完全转化为金刚石体内的空穴与电子对，而且还将显著降低本征载流子的平均自由程，严重制约金刚石探测器的探测灵敏度与收集距离。因此探测器级金刚石材料要求金刚石具有ppb量级的氮杂质以及低的位错等缺陷密度。

基于微波化学气相沉积法(MPCVD)进行单晶金刚石的同质外延生长是制备高纯金刚石材料的通用方法。微波化学气相沉积法的基本原理是用微波能量来激发和分解气体，涉及的是一种无电极放电过程，所以其产生的等离子体很纯净，可以避免热丝CVD方法时因热丝金属蒸发而对金刚石膜造成的污染。其次，利用MPCVD法可以产生面积较大而又相对较为稳定的等离子体球，气体放电的过程较为平稳，这可使金刚石膜的沉积过程有较好的可控制性，有助于高品质金刚石膜的沉积。再者，由微波激发出来的等离子体放电区域相对集中，因而它能激发和产生高密度的各种活性基团，这有利于金刚石膜品质的提高。

利用微波化学气相沉积法进行高质量单晶金刚石的外延生长需要控制等离子体环境中的杂质并入以及位错等缺陷。前者主要受腔室洁净度、真空度以及使用原料气体纯度的影响。而后者则与金刚石同质外延生长的衬底以及外延生长工艺密切相关。

本文采用筛选的低位错密度大尺寸高温高压衬底作为同质外延衬底，通过氧化性酸酸洗、有机溶剂超声清洗结合等离子体环境中H2/O2刻蚀，有效抑制了由于精密抛光过程中对金刚石表面产生的损伤，使得外延生长的单晶金刚石几乎不遗传高温高压衬底的位错等杂质，获得了低位错密度单晶金刚石。在此基础上通过等离子体环境中引入净化组分氧原子，可有效降低和消除等离子体环境中的氮杂质和硅杂质，从而使外延生长的单晶金刚石内氮杂质并入控制至ppb量级，满足用于金刚石探测器的需求。

北京科技大学采用同质外延生长成功生长出了8 mm×8 mm高质量单晶金刚石，经抛光与切割加工后如图1所示。单晶金刚石表面粗糙度低于1 nm，晶体内无明显的应力集中区，光致发光谱未显示有与氮相关的杂质峰。X射线摇摆曲线(004)峰的半高宽为0.008°，暗示了极低的位错密度，与高质量高温高压金刚石衬底相当。金刚石体内氮杂质采用二次离子质谱(SIMS)表征，低于其探测极限100ppb。进一步采用电子顺磁共振测试替位氮(孤氮)杂质的浓度，如图2所示，通过计算金刚石中替位氮特征峰二次积分的面积可获得金刚石样品中孤氮总自旋数，除以金刚石的体积，最终估算得到孤氮的含量为23ppb。该金刚石材料有望应用于极端恶劣辐射环境中的辐射探测器。