申請?zhí)枺?01280068219.4

       申請人：六號元素技術(shù)有限公司

       摘要： 一種單晶CVD合成金剛石材料，其包括：大于或等于5ppm的總生成態(tài)氮濃度，和均勻分布的缺陷，其中，所述均勻分布的缺陷通過下列特性中的一種或多種限定：(i)當(dāng)通過次級離子質(zhì)譜法(SIMS)在大于或等于50×50μm的區(qū)域上使用10μm或更小的分析區(qū)域進(jìn)行映象時，總氮濃度擁有的逐點(diǎn)變化(point-to-pointvariation)小于平均總氮濃度值的30％，或者當(dāng)通過SIMS在大于或等于200×200μm的區(qū)域上使用60μm或更小的分析區(qū)域進(jìn)行映象時，總氮濃度擁有的逐點(diǎn)變化小于平均總氮濃度值的30％；(ii)使用77K紫外光-可見光吸收測量法測量的生成態(tài)氮空位缺陷(NV)濃度大于或等于50ppb，其中，氮空位缺陷均勻分布在合成單晶CVD金剛石材料中，使得當(dāng)使用采用了50mW連續(xù)波激光器、在室溫下的光斑尺寸小于或等于10μm的514nm激光激發(fā)源進(jìn)行激發(fā)，并且在大于或等于50×50μm的區(qū)域上用小于10μm的數(shù)據(jù)區(qū)間進(jìn)行映象時，存在較低的逐點(diǎn)變化，其中，對于575nm的光致發(fā)光峰值(NV0)或者637nm的光致發(fā)光峰值(NV-)來說，高光致發(fā)光強(qiáng)度的區(qū)域與低光致發(fā)光強(qiáng)度的區(qū)域之間的氮空位光致發(fā)光峰值的強(qiáng)度面積比＆amp;lt;2x；(iii)當(dāng)使用采用了50mW連續(xù)波激光器、在室溫下的光斑尺寸小于或等于10μm的514nm激光激發(fā)源進(jìn)行激發(fā)(在552.4nm下得到Raman峰值)，并且在大于或等于50×50μm的區(qū)域上用小于10μm的數(shù)據(jù)區(qū)間進(jìn)行映象時，Raman強(qiáng)度的變化使得存在較低的逐點(diǎn)變化，其中，低Raman強(qiáng)度的區(qū)域與高Raman強(qiáng)度的區(qū)域之間的Raman峰值面積比＆amp;lt;1.25x；(iv)使用77K紫外光-可見光吸收測量法測量的生成態(tài)氮空位缺陷(NV)濃度大于或等于50ppb，其中，當(dāng)使用采用了50mW連續(xù)波激光器、在77K溫度下的光斑尺寸小于或等于10μm的514nm激光激發(fā)源進(jìn)行激發(fā)時，在對應(yīng)于NV0的575nm下給出比在552.4nm下的Raman強(qiáng)度的120倍更大的強(qiáng)度，和/或在對應(yīng)于NV-的637nm下給出比在552.4nm下的Raman強(qiáng)度的200倍更大的強(qiáng)度；(v)單原子替代氮缺陷(Ns)濃度大于或等于5ppm，其中，單原子替代氮缺陷均勻分布在合成單晶CVD金剛石材料中，使得通過使用1344cm-1紅外吸收特征并對面積大于0.5mm2的區(qū)域采樣，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差除以平均值推導(dǎo)出的變化小于80％；(vi)由標(biāo)準(zhǔn)偏差除以平均值定義的紅光發(fā)光強(qiáng)度的變化小于15％；(vii)中性單原子替代氮濃度的平均標(biāo)準(zhǔn)偏差小于80％；以及(viii)利用由平均灰度值大于50的顯微圖像得出的直方圖測量的顏色強(qiáng)度，其中，所述顏色強(qiáng)度在單晶CVD合成金剛石材料中是均勻的，使得以灰度值標(biāo)準(zhǔn)偏差除以灰度值平均值為特征的灰度色的變化小于40％。

       主權(quán)利要求 1.一種單晶CVD合成金剛石材料，其包括：大于或等于5ppm的總生成態(tài)氮濃度，和均勻分布的缺陷，其中，所述均勻分布的缺陷通過下列特性中的一種或多種限定：(i)當(dāng)通過次級離子質(zhì)譜法(SIMS)在大于或等于50×50μm的區(qū)域上使用10μm或更小的分析區(qū)域進(jìn)行映象時，總氮濃度擁有的逐點(diǎn)變化(point-to-pointvariation)小于平均總氮濃度值的30％，或者當(dāng)通過SIMS在大于或等于200×200μm的區(qū)域上使用60μm或更小的分析區(qū)域進(jìn)行映象時，總氮濃度擁有的逐點(diǎn)變化小于平均總氮濃度值的30％；(ii)使用77K紫外光-可見光吸收測量法測量的生成態(tài)氮空位缺陷(NV)濃度大于或等于50ppb，其中，氮空位缺陷均勻分布在整個整個合成單晶CVD金剛石材料中，使得當(dāng)使用采用了50mW連續(xù)波激光器、在室溫下的光斑尺寸小于或等于10μm的514nm激光激發(fā)源進(jìn)行激發(fā)，并且在大于或等于50×50μm的區(qū)域上用小于10μm的數(shù)據(jù)區(qū)間進(jìn)行映象時，存在較低的逐點(diǎn)變化，其中，對于575nm的光致發(fā)光峰值(NV0)或者637nm的光致發(fā)光峰值(NV-)來說，高光致發(fā)光強(qiáng)度的區(qū)域與低光致發(fā)光強(qiáng)度的區(qū)域之間的氮空位光致發(fā)光峰值的強(qiáng)度面積比＆lt;2x；(iii)當(dāng)使用采用了50mW連續(xù)波激光器、在室溫下的光斑尺寸小于或等于10μm的514nm激光激發(fā)源進(jìn)行激發(fā)(在552.4nm下得到Raman峰值)，并且在大于或等于50×50μm的區(qū)域上用小于10μm的數(shù)據(jù)區(qū)間進(jìn)行映象時，Raman強(qiáng)度的變化使得存在較低的逐點(diǎn)變化，其中，低Raman強(qiáng)度的區(qū)域與高Raman強(qiáng)度的區(qū)域之間的Raman峰值面積比＆lt;1.25x；(iv)使用77K紫外光-可見光吸收測量法測量的生成態(tài)氮空位缺陷(NV)濃度大于或等于50ppb，其中，當(dāng)使用采用了50mW連續(xù)波激光器、在77K溫度下的光斑尺寸小于或等于10μm的514nm激光激發(fā)源進(jìn)行激發(fā)時，在對應(yīng)于NV0的575nm下給出比在552.4nm下的Raman強(qiáng)度的120倍更大的強(qiáng)度，和/或在對應(yīng)于NV-的637nm下給出比在552.4nm下的Raman強(qiáng)度的200倍更大的強(qiáng)度；(v)單原子替代氮缺陷(Ns)濃度大于或等于5ppm，其中，單原子替代氮缺陷均勻分布在整個合成單晶CVD金剛石材料中，使得通過使用1344cm-1紅外吸收特征并對面積大于0.5mm2的區(qū)域采樣，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差除以平均值推導(dǎo)出的變化小于80％；(vi)由標(biāo)準(zhǔn)偏差除以平均值定義的紅光發(fā)光強(qiáng)度的變化小于15％；(vii)中性單原子替代氮濃度的平均標(biāo)準(zhǔn)偏差小于80％；以及(viii)利用由平均灰度值大于50的顯微圖像得出的直方圖測量的顏色強(qiáng)度，其中，所述顏色強(qiáng)度在整個單晶CVD合成金剛石材料中是均勻的，使得以灰度值標(biāo)準(zhǔn)偏差除以灰度值平均值為特征的灰度色的變化小于40％。

       2.如權(quán)利要求1所述的單晶CVD合成金剛石材料，其中，所述 單晶CVD合成金剛石材料包括所述特性中的兩種、三種、四種、五 種、六種、七種或全部八種。

       3.如權(quán)利要求1或2所述的單晶CVD合成金剛石材料，其中， 當(dāng)通過次級離子質(zhì)譜法(SIMS)在大于或等于50×50μm的區(qū)域上用 定義為10μm或更小的分析區(qū)域進(jìn)行映象時，總氮濃度擁有的逐點(diǎn)變 化小于平均氮濃度值的25％、20％、15％、10％、5％、3％、或1％。

       4.如前述權(quán)利要求中的任意一項(xiàng)所述的單晶CVD合成金剛石材 料，其中，當(dāng)在大于或等于50×50μm的區(qū)域上用定義為10μm或更 小的分析區(qū)域進(jìn)行映象時，來自氮空位缺陷的發(fā)光擁有逐點(diǎn)變化，使 得高PL強(qiáng)度的區(qū)域和低PL強(qiáng)度的區(qū)域之間的強(qiáng)度比小于1.8、1.6、 1.4、或1.2。

       5.如前述權(quán)利要求中的任意一項(xiàng)所述的單晶CVD合成金剛石材 料，其中，在575nm下的NV0發(fā)光大于在552.4nm下的Raman強(qiáng)度 的140倍、160倍、或180倍，和/或在637nm下的NV-發(fā)光大于在 552.4nm下的Raman強(qiáng)度的220倍、240倍、或260倍；

       6.如前述權(quán)利要求中的任意一項(xiàng)所述的單晶CVD合成金剛石材 料，單原子替代氮缺陷均勻分布在整個合成單晶CVD金剛石材料中， 使得通過使用來自單原子替代氮缺陷的1344cm-1紅外吸收特征并對面 積大于0.5mm2的區(qū)域采樣，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差除以平均值推導(dǎo)出的變化 小于60％、40％、20％、或10％。

       7.如前述權(quán)利要求中的任意一項(xiàng)所述的單晶CVD合成金剛石材 料，其中，紅色發(fā)光的變化小于10％、8％、6％、或4％。

       8.如前述權(quán)利要求中的任意一項(xiàng)所述的單晶CVD合成金剛石材 料，其中，中性單原子替代氮濃度的平均標(biāo)準(zhǔn)偏差小于60％、40％、 20％、或10％。

       9.如前述權(quán)利要求中的任意一項(xiàng)所述的單晶CVD合成金剛石材 料，其中，當(dāng)在大于或等于200×200×200μm的體積上成像時，顏色 強(qiáng)度擁有的逐點(diǎn)變化小于由灰度值標(biāo)準(zhǔn)偏差除以灰度值平均值定義的 平均顏色強(qiáng)度的30％、20％、10％、或5％。

       10.如前述權(quán)利要求中的任意一項(xiàng)所述的單晶CVD合成金剛石 材料，其中，總氮濃度大于或等于7ppm、10ppm、15ppm、20ppm、 30ppm、50ppm、75ppm、100ppm、150ppm、200ppm、或300ppm。

       11.如前述權(quán)利要求中的任意一項(xiàng)所述的單晶CVD合成金剛石 材料，其中，單原子替代氮缺陷(Ns)濃度大于或等于5ppm、7ppm、 10ppm、15ppm、20ppm、30ppm、50ppm、75ppm、100ppm、150ppm、 200ppm、或300ppm。

       12.如前述權(quán)利要求中的任意一項(xiàng)所述的單晶CVD合成金剛石 材料，其中，生成態(tài)氮空位缺陷(NV-)濃度大于或等于120ppb、 140ppb、160ppb、180ppb、200ppb、250ppb、300ppb、400ppb、500ppb、 1000ppb、或5000ppb。

       13.如前述權(quán)利要求中的任意一項(xiàng)所述的單晶CVD合成金剛石 材料，具有的硅濃度小于或等于1×1015原子cm-3。

       14.如前述權(quán)利要求中的任意一項(xiàng)所述的單晶CVD合成金剛石 材料，其中，所述單晶CVD合成金剛石材料具有的最長尺寸大于或 等于200μm、500μm、1mm、1.5mm、2.0mm、3.0mm、或5.0mm。

       15.如前述權(quán)利要求中的任意一項(xiàng)所述的單晶CVD合成金剛石 材料，具有的體積大于或等于0.01mm3、0.05mm3、0.1mm3、0.5mm3、 1.0mm3、3.0mm3、6.0mm3、9.0mm3、或15.0mm3，所述一種或多種 特性在該體積中成立。

       16.如前述權(quán)利要求中的任意一項(xiàng)所述的單晶CVD合成金剛石 材料，其中，所述單晶CVD合成金剛石材料為厚度小于200μm、 100μm、50μm、20μm、10μm、5μm、2μm、或1μm的層的形式。

       17.如權(quán)利要求1到15中的任意一項(xiàng)所述的單晶CVD合成金剛 石材料，其中，所述單晶CVD合成金剛石材料為厚度大于200μm、 500μm、1mm、1.5mm、2.0mm、3.0mm、或5.0mm的層的形式。

       18.如前述權(quán)利要求中的任意一項(xiàng)所述的單晶CVD合成金剛石 材料，具有的錯位晶束密度小于或等于：106錯位cm-2、104錯位cm-2、 3×103錯位cm-2、103錯位cm-2、102錯位cm-2、或10錯位cm-2。

       19.如前述權(quán)利要求中的任意一項(xiàng)所述的單晶CVD合成金剛石 材料，具有的雙折射率小于或等于5×10-5、1×10-5、5×10-6、或1× 10-6；

       20.如前述權(quán)利要求中的任意一項(xiàng)所述的單晶CVD合成金剛石 材料，其已經(jīng)進(jìn)行退火和/或照射。

       21.如前述權(quán)利要求中的任意一項(xiàng)所述的單晶CVD合成金剛石 材料，其中，所述單晶CVD合成金剛石材料具有下列顏色中的一種 或多種：粉紅色，黃色，綠色，橙色，紅色，紫色。

       22.一種制造如前述權(quán)利要求中的任意一項(xiàng)所述的單晶CVD金 剛石材料的方法，所述方法包括： 形成包括氫氣、碳源氣體、氮源氣體和可選的氧源氣體的CVD 合成氛圍，其中，所述CVD合成氛圍包括的氮相對于全部氣體組分 的原子濃度的范圍為0.1％到3％； 在安裝于支撐基底上的單晶金剛石基底上生長單晶CVD金剛石 材料；并且 控制支撐基底的溫度，使得在生長過程中支撐基底上任意給定點(diǎn) 處的溫度變化小于50℃的目標(biāo)溫度值，整個生長周期的溫度變化小于 50℃的目標(biāo)溫度值，且目標(biāo)溫度值處于1000℃到1400℃的范圍內(nèi)， 其中CVD合成氛圍包括以下的至少一種： 碳相對于全部氣體組分的原子濃度的范圍為0.1％到2.0％；和 氧相對于全部氣體組分的原子濃度的范圍為5％到40％。

       23.如權(quán)利要求22所述的方法，其中，氮相對于全部氣體組分的 原子濃度的范圍為0.1％到2％、0.1％到1％、或0.2％到0.8％。

       24.如權(quán)利要求22或23所述的方法，其中，碳相對于全部氣體 組分的原子濃度的范圍為0.3％到1.7％、0.5％到1.5％、0.7％到1.3％、 或0.8％到1.2％。

       25.如權(quán)利要求22-24中的任意一項(xiàng)所述的方法，其中，不向CVD 合成氛圍中添加氧源氣體。

       26.如權(quán)利要求22-24中的任意一項(xiàng)所述的方法，其中，向CVD 合成氛圍中添加氧源氣體，使得CVD合成氛圍包括的氧的原子濃度 的范圍為5％到40％、10％到30％、10％到25％、或15％到20％。

       27.如權(quán)利要求22-26中的任意一項(xiàng)所述的方法，其中，單晶金 剛石基底通過釬焊合金安裝到支撐基底上，所述釬焊合金的熔點(diǎn)大于 或等于1000℃、1100℃、1200℃、1300℃、或1400℃。

       28.如權(quán)利要求22-27中的任意一項(xiàng)所述的方法，其中，支撐基 底包括難熔金屬。

       29.如權(quán)利要求22-28中的任意一項(xiàng)所述的方法，其中，跨越支 撐基底的溫度變化小于40℃、30℃、20℃、10℃或5℃。

       30.如權(quán)利要求22-29中的任意一項(xiàng)所述的方法，其中，跨越單 晶金剛石基底的溫度變化小于50℃、40℃、30℃、20℃、10℃或5℃。

       31.如權(quán)利要求22-30中的任意一項(xiàng)所述的方法，其中，單晶金 剛石基底通過熔點(diǎn)低于目標(biāo)溫度的釬焊合金安裝到支撐基底上，所述 目標(biāo)溫度用于在單晶金剛石基底上生長單晶CVD金剛石材料，使得 在單晶CVD金剛石材料的生長期間，釬焊合金處于液態(tài)。