單晶金剛石憑借優(yōu)異的力、熱、光、電等性質(zhì)，在探測器、功率器件、量子計算等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，但大尺寸低缺陷高純度晶體的合成是制約其應(yīng)用的主要瓶頸。作為兩種最常用的CVD手段，異質(zhì)外延工藝相比同質(zhì)外延工藝，由于不受籽晶尺寸的限制，在大尺寸單晶金剛石制備方面具有更顯著的技術(shù)優(yōu)勢。

異質(zhì)外延單晶金剛石合成工藝涉及異質(zhì)襯底選擇、金剛石高密度形核、金剛石外延生長等過程，而Ir復(fù)合襯底和偏壓增強形核工藝是目前最優(yōu)的異質(zhì)襯底和形核手段。然而，由于受到Ir襯底-金剛石界面晶格失配的影響，所合成的金剛石往往表現(xiàn)出較高的位錯密度，這對其在電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用十分不利。因此，如何降低異質(zhì)外延單晶金剛石中的位錯密度是該領(lǐng)域近年來研究的重要課題。

近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)朱嘉琦教授團(tuán)隊在開展單晶金剛石異質(zhì)外延生長研究工作的基礎(chǔ)上，對該領(lǐng)域的研究進(jìn)展進(jìn)行了詳細(xì)總結(jié)，在《新型炭材料》（New Carbon Materials）上發(fā)表最新綜述“Recent progress on controlling dislocation density and behavior during heteroepitaxial single crystal diamond growth”。

該文以降低Ir 襯底上異質(zhì)外延金剛石膜中位錯密度為目標(biāo)，首先對該過程中的位錯產(chǎn)生、類型、表征等進(jìn)行闡釋，然后從理論與工藝相結(jié)合的角度總結(jié)了加劇位錯反應(yīng)（增加外延層厚度，偏軸襯底生長）、除去已有位錯（橫向外延過度生長，懸掛-橫向外延生長，圖形化形核生長）及其他方法（三維生長法、金屬輔助終止法、采用金字塔型襯底法）在降低金剛石位錯密度方面的最新進(jìn)展，隨后結(jié)合大失配異質(zhì)外延半導(dǎo)體體系降低位錯密度的經(jīng)典理論，提出了襯底圖形化技術(shù)、超晶格緩沖層技術(shù)和柔性襯底技術(shù)等可通過抑制引入位錯來進(jìn)一步降低位錯密度的研究方向，最后對本領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀和未來展望進(jìn)行了總結(jié)。如圖1所示為該文總結(jié)的降低異質(zhì)外延金剛石內(nèi)部位錯密度的具體手段。如圖2所示為目前所采用上述手段獲得的金剛石內(nèi)部位錯密度比較，可以發(fā)現(xiàn)金剛石膜內(nèi)位錯密度任然處于較高水平，尚需開發(fā)新一代位錯密度降低技術(shù)。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士研究生王偉華為第一作者，朱嘉琦教授為共同通訊作者。上述研究得到了國家重點研發(fā)計劃、廣東省重點研發(fā)計劃、國家杰出青年基金和國家自然科學(xué)基金的支持。