CN111725336A - 探测介质及其制备方法、金刚石探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种探测介质及其制备方法、金刚石探测器，所述制备方法包括：提供单晶的金刚石基体；采用激光直写金刚石基体的表面，使金刚石原位转化生成石墨层，其中，石墨层的表面低于金刚石基体的表面而形成自金刚石基体表面延伸至石墨层的沟槽，沟槽的宽度为1μm～60μm，深度为20μm～100μm，长度不小于金刚石基体的表面的最短尺寸的1/4；以及在金刚石基体上外延生长单晶金刚石层，并使单晶金刚石层至少覆盖石墨层，得到探测介质。本发明获得的探测介质中，起探测作用的为单晶金刚石层，增大了用于探测响应的金刚石的有效面积。将本发明的探测介质应用于金刚石探测器时，可提高金刚石探测器对外部可响应信号的灵敏度。

Description

探测介质及其制备方法、金刚石探测器
技术领域
本发明涉及半导体探测器领域，特别是涉及探测介质及其制备方法、金刚石探测器。
背景技术
半导体探测器是以半导体材料为探测介质的辐射探测器，而对于以金刚石为材料制备的半导体探测器，无论是为了将外部信号对金刚石的作用而产生的电子-空穴载流子输引到外部电路，形成电信号的收集，还是通过对其施加电场来实现内部电子-空穴载流子对的复合，都需要给金刚石加上合适的电极，使电极和金刚石间形成良好的电接触-非整流(欧姆)接触。
但是，金刚石由于禁带宽度较大，与金属接触时，容易因为界面势垒形成肖特基(Schottky)整流接触，一般克服肖特基接触的途径是在金刚石的反应面形成多级梯度金属界面层，以降低势垒。然而，在金刚石的反应面构建的多层电极结构会大幅阻碍金刚石对外部可响应信号的灵敏度，使得对探测信号可响应的反应面的有效面积大大降低，探测器暗电流增大，对器件灵敏度十分不利。而且金刚石表面难以实现高剂量掺杂，因此要在金刚石上制作具有良好欧姆接触的电极是相当困难的。
发明内容
基于此，有必要针对上述问题，提供一种探测介质及其制备方法、金刚石探测器；所述制备方法获得的探测介质中，起探测作用的为单晶金刚石层，可以显著增大探测介质对探测信号可响应的反应面的面积，且可以根据金刚石探测器的需求精确控制探测介质中单晶金刚石层的厚度，使所获得的金刚石探测器对外部可响应信号的灵敏度高。
一种探测介质的制备方法，包括以下步骤：
提供单晶的金刚石基体；
采用激光直写所述金刚石基体的表面，使金刚石原位转化生成石墨层，其中，所述石墨层的表面低于所述金刚石基体的表面而形成自所述金刚石基体表面延伸至所述石墨层的沟槽，所述沟槽的宽度为1μm～60μm，深度为20μm～100μm，长度不小于所述金刚石基体的表面的最短尺寸的1/4；以及
在所述金刚石基体上外延生长单晶金刚石层，并使所述单晶金刚石层至少覆盖所述石墨层，得到探测介质。
在其中一个实施例中，所述沟槽的长度为所述金刚石基体最短尺寸的1/3～1/2。
在其中一个实施例中，所述沟槽的数量为多个，多个所述沟槽间隔设置于所述金刚石基体的同一表面。
在其中一个实施例中，所述激光的束斑直径为1μm～10μm。
在其中一个实施例中，所述激光的功率为100w～500w，扫描速度为500mm/s～1500mm/s。
在其中一个实施例中，采用微波等离子体化学气相沉积方法在所述金刚石基体上外延生长单晶金刚石层。
在其中一个实施例中，所述微波等离子体化学气相沉积方法中，甲烷流量为1sccm～10sccm，氢气流量为350sccm～450sccm，生长腔室内的压力为15KPa～17KPa。
在其中一个实施例中，所述微波等离子体化学气相沉积方法中，生长温度为850℃～1000℃，升温时间为10min～25min，生长时间为2h～8h，生长结束后降温时间不少于25min。
在其中一个实施例中，所述金刚石基体为单晶金刚石基体。
一种探测介质，如上述制备方法得到，包括单晶的金刚石基体、石墨层和单晶金刚石层，所述石墨层嵌设于所述金刚石基体中，所述石墨层的表面低于所述金刚石基体的表面而形成自所述金刚石基体表面延伸至所述石墨层的沟槽，所述单晶金刚石层至少覆盖所述石墨层并填充所述沟槽。
一种金刚石探测器，所述金刚石探测器包括如上述的探测介质。
本发明的制备方法中，在具有单晶结构的金刚石基体上通过激光直写使金刚石原位转化成石墨层。由于激光在作用金刚石的过程中，会加工磨损掉部分金刚石，以及金刚石和石墨的原子排布的因素，使得石墨层的表面低于所述金刚石基体的表面而形成沟槽。最后在所述金刚石基体上外延生长获得单晶金刚石层。该单晶金刚石层至少覆盖所述石墨层，使所述石墨层埋层式设置于金刚石基体和单晶金刚石层之间，从而获得金刚石基体-石墨层-单晶金刚石层的类三明治结构的探测介质。在该探测介质中，所述石墨层作为电极，所述单晶金刚石层与所述石墨层可实现良好欧姆接触，所述单晶金刚石层表面暴露，可起到探测作用，增大了探测介质对探测信号可响应的反应面的有效面积，提高了探测介质对外部可响应信号的灵敏度，从而避免现有的在金刚石表面构建多层电极结构而导致金刚石可参与探测响应的反应面的有效面积较少的问题。同时，本发明还可以根据探测器的需求精确控制用于探测响应的单晶金刚石层的生长厚度。
附图说明
图1为本发明探测介质的制备方法工艺流程图；
图2为本发明沟槽的另一结构示意图；
图3为本发明金刚石基体上沟槽分布示意图；
图4为本发明实施例1中激光直写后金刚石基体的SEM图；
图5为本发明实施例1中激光直写后金刚石基体的拉曼谱图；
图6为本发明实施例1获得的探测介质的沟槽处的拉曼谱图；
图7为本发明实施例1获得的探测介质的沟槽处的SEM图；
图8为本发明实施例4中激光直写后金刚石基体上沟槽的二维截面尺寸图；
图9为本发明实施例4获得的探测介质的沟槽处的二维截面尺寸图。
图中：10、金刚石基体；20、石墨层；30、沟槽；40、单晶金刚石层；50、方形槽。
具体实施方式
以下将对本发明提供的探测介质及其制备方法、金刚石探测器作进一步说明。
如图1所示，本发明提供的探测介质的制备方法包括以下步骤：
S1，提供单晶的金刚石基体10；
S2，采用激光直写所述金刚石基体10的表面，使金刚石原位转化生成石墨层20，其中，所述石墨层20的表面低于所述金刚石基体10的表面而形成自所述金刚石基体10表面延伸至所述石墨层20的沟槽30，所述沟槽30的宽度为1μm～60μm，深度为20μm～100μm，长度不小于所述金刚石基体10的表面的最短尺寸的1/4；
S3，在所述金刚石基体10上外延生长单晶金刚石层40，并使所述单晶金刚石层40至少覆盖所述石墨层20，得到探测介质。
步骤S1中，所述金刚石基体10的表面的形状不做限定，可以方形、圆形、不规则形。所述金刚石基体10的表面的尺寸不做限定，所述金刚石基体10的表面的尺寸可为金刚石基体10的表面的长度或宽度、直径等。
考虑到金刚石基体10的易获得性以及制备成本，所述金刚石基材10的厚度为0.1mm～10mm，优选为0.2mm～5mm，进一步优选为0.3mm～3mm。
在单晶的金刚石基体10上外延生长单晶金刚石层40时，单晶的金刚石基体10起到了诱导作用。所以，能够保证在金刚石基体10上外延生长出单晶金刚石层40，所述单晶的金刚石基体10可以为高压高温(HPHT)单晶金刚石基体、CVD单晶金刚石基体等。
步骤S2中，石墨层20的厚度和连续性通过控制激光的功率和扫描速度来实现。优选的，所述激光的功率为100w～500w，扫描速度为500mm/s～1500mm/s，以使所述石墨层20的导电性测试电阻不高于30Ω/cm，作为电极时可以和单晶金刚石层40形成良好的欧姆接触。
由于激光在作用金刚石的过程中，会加工磨损掉部分金刚石，以及金刚石和石墨的原子排布的因素，使得石墨层20的表面低于所述金刚石基体10的表面而形成沟槽30。
所述沟槽30的尺寸对后续外延生长得到单晶金刚石层至关重要。本发明中，当激光作用的沟槽30的尺寸控制在本发明尺寸的范围内时，在合适的生长参数下，由于尺寸效应的影响，沟槽30处会以外延侧向横跨生长的方法生长出单晶金刚石。
考虑到激光的加工精度和制备过程的简便性，所述沟槽30的宽度优选为5μm～40μm，深度优选为30μm～60μm，长度优选为所述金刚石基体10最短尺寸的1/3～1/2。
所述沟槽30的尺寸和图案形状通过软件程序控制激光聚焦束斑直径和扫描次数来实现，所述激光的束斑直径优选为1μm～10μm，进一步优选为1μm～5μm。
所述沟槽30的结构不限，包括截面为图1中所示的矩形、图2中所示的部分圆形等。
考虑到在所述金刚石基体10上外延生长单晶金刚石层40的过程中，反应气体会对石墨层20有刻蚀作用，因此，所述沟槽30的结构优选为图1中所示的结构，该结构的沟槽30尺寸规则，受尺寸边界的影响使反应气体对石墨层20的破坏减小。
所述沟槽30的数量为多个，多个所述沟槽30间隔设置于所述金刚石基体10的同一表面，间隔距离可依据金刚石基底10的尺寸进行选取。
如图3所示，所述金刚石基体10的同一表面均平行间隔设置有3个沟槽30，沟槽30的长度可以如a所示的贯穿整个金刚石基体10的表面，或者如b所示的为所述金刚石基体10最短尺寸的1/3～1/2。或者如c所示，还可将所述沟槽30的两端分别与一定尺寸的方形槽50连通，形成工型槽，方形槽50的尺寸也可依据金刚石基底10的尺寸进行选取。
考虑到多晶金刚石含有晶界，对载流子的传输会产生干扰，应用于探测器时会影响探测器的灵敏度和效率，而单晶金刚石不含有各种不规则的晶界，且缺陷密度低，所以步骤S3中，在所述金刚石基体10上外延生长单晶金刚石层40，以保证本发明探测介质的灵敏度和效率。
其中，采用微波等离子体化学气相沉积方法(MPCVD方法)不仅可以生长出完全无色透明，几乎不含任何杂质的高质量单晶金刚石层，而且，可以根据探测器的需求精确控制用于探测响应的单晶金刚石层的生长厚度。所以，本发明优选采用MPCVD方法在所述金刚石基体10上外延生长单晶金刚石层40。
具体的，在生长单晶金刚石层40之前，将带有沟槽30的金刚石基体10进行预处理，包括于乙醇、丙酮等中进行超声处理。
预处理结束后，将带有沟槽30的金刚石基体10置于MPCVD设备的生长腔室内，抽真空至生长腔室内的气压不高于1×10-1Pa，并预热1min～2min。
然后，通入氢气，氢气流量为350sccm～450sccm，优选为380sccm～420sccm。同时，同步增加生长腔室的压力和微波的功率至腔室中的压力达到15KPa～17KPa，优选为15.5KPa～16.5KPa，进一步优选为15.9KPa～16.1KPa；温度达到为850℃～1000℃，优选为900℃～970℃，进一步优选为930℃～960℃。
其中，考虑到升温过程中在微波作用下生成的氢等离子体会对石墨层20造成刻蚀消耗的影响，升温时间为10min～25min，优选为15min～20min。
然后，通入甲烷气体进行生长2h～8h，优选为生长4h～6h。其中，甲烷流量为1sccm～10sccm，优选为2sccm～5sccm。
生长结束后，同步降低生长腔室的压力和微波的功率至腔室中的压力和温度至关闭结束状态。
其中，考虑到外延生长出的单晶金刚石层40在过快的降温情况下会产生应力而使得单晶金刚石层40内部出现裂痕，因此，生长结束后的降温时间不少于25min，且降温初始阶段的速率应尽可能的慢。
优选的，所述升温和降温阶段，微波的功率和腔室内的压力均成比例同步增加或降低至所需的工艺参数。
本发明首先在金刚石基体10上通过激光直写使金刚石原位转化成石墨层20并形成沟槽30，然后采用微波等离子体化学气相沉积方法在金刚石基体10上外延生长单晶金刚石层40并填充沟槽30以及覆盖所形成的石墨层20，从而使石墨层20埋层式设置于金刚石基体10和单晶金刚石层40之间，进而获得金刚石基体10-石墨层20-单晶金刚石层40的类三明治结构的探测介质。
本发明还提供一种探测介质，如上述制备方法得到，包括单晶的金刚石基体10、石墨层20和单晶金刚石层40，所述石墨层20嵌设于所述金刚石基体10中，所述石墨层20的表面低于所述金刚石基体10的表面而形成自所述金刚石基体10表面延伸至所述石墨层20的沟槽30，所述单晶金刚石层40至少覆盖所述石墨层20并填充所述沟槽30。
不同于在金刚石基体10表面直接制备电极的方法，本发明所获得的探测介质中，起到探测作用的为单晶金刚石层40，石墨层20作为电极与单晶金刚石层40具有良好欧姆接触。所以，本发明制备方法所获得的探测介质可以避免在金刚石基体表面构建多层电极结构而导致可参与探测响应的金刚石表面的有效面积减少的问题，增大了用于探测响应的金刚石表面的有效面积。
本发明还提供一种金刚石探测器，所述金刚石探测器包括如上述的探测介质。
本发明探测介质中用于探测响应的金刚石表面的有效面积大，石墨层与单晶金刚石层的欧姆接触良好，同时，还可以根据探测器的需求精确控制用于探测响应的单晶金刚石层的生长厚度。所以，应用本发明的探测介质可以提高金刚石探测器对外部可响应信号的灵敏度和效率。
以下，将通过以下具体实施例对所述探测介质及其制备方法、金刚石探测器做进一步的说明。
实施例1：
在尺寸为3.5mm×3.5mm×1mm的HPHT单晶金刚石基体的上表面用激光直写出1条沟槽，激光的束斑直径为10μm，功率350W，扫描速度为1000mm/s，沟槽的宽度为50μm左右，深度为20μm左右，长度约为1.5mm。将带有沟槽的金刚石基体进行表面形态分析和拉曼光谱分析，结果如图4和图5所示。由图5的峰位可知，激光直写后沟槽内存在石墨层，该石墨层由金刚石原位转化生成，经导电性测试，该石墨层的电阻为25Ω/cm左右。
然后，将带有沟槽的金刚石基体在乙醇溶液中超声10min，再置于MPCVD设备的生长腔室内，抽真空至生长腔室内的气压为0.1Pa，并预热1min。然后，通入流量为400sccm的氢气。同时，同步增加生长腔室的压力和微波的功率至腔室中的压力达到16KPa，温度达到940℃，升温时间为15min。然后，通入流量为2sccm的甲烷气体进行生长6h，得到单晶金刚石层。生长结束后，同步降低生长腔室的压力和微波的功率至腔室中的压力和温度至关闭结束状态，降温时间为40min，且降温初始阶段的速率较慢，得到最终的探测介质。
将获得的探测介质的沟槽处进行拉曼光谱分析和表面形态分析，结果如图6和图7所示。由图6的峰位可知，生长得到的为单晶金刚石。由图7的扫描电镜图可知，沟槽处具有良好的平整形貌。
实施例2：
在尺寸为3.5mm×3.5mm×1mm的HPHT单晶金刚石基体的上表面用激光直写出2条沟槽，激光的束斑直径为5μm，功率350W，扫描速度为1000mm/s，沟槽的宽度为50μm左右，深度为40μm左右，长度约为1.5mm，间距为1mm。激光直写后沟槽内存在石墨层，该石墨层由金刚石原位转化生成，经导电性测试，该石墨层的电阻为28Ω/cm左右。
然后，将带有沟槽的金刚石基体在乙醇溶液中超声10min，再置于MPCVD设备的生长腔室内，抽真空至生长腔室内的气压为0.1Pa，并预热1min。然后，通入流量为410sccm的氢气。同时，同步增加生长腔室的压力和微波的功率至腔室中的压力达到15.9KPa，温度达到930℃，升温时间为10min。然后，通入流量为2sccm的甲烷气体进行生长6h，得到单晶金刚石层。生长结束后，同步降低生长腔室的压力和微波的功率至腔室中的压力和温度至关闭结束状态，降温时间为40min，且降温初始阶段的速率较慢，得到最终的探测介质。
实施例3：
在尺寸为3.5mm×4mm×1mm的HPHT单晶金刚石基体的上表面用激光直写出1条沟槽，激光的束斑直径为5μm，功率450W，扫描速度为800mm/s，沟槽的宽度为40μm左右，深度为60μm左右，长度约为1mm，然后在其两端直写出两个1mm×0.6mm的方形槽，形成工形槽。激光直写后沟槽内存在石墨层，该石墨层由金刚石原位转化生成，经导电性测试，该石墨层的电阻为20Ω/cm左右。
然后，将带有沟槽的金刚石基体在乙醇溶液中超声10min，再置于MPCVD设备的生长腔室内，抽真空至生长腔室内的气压为0.1Pa，并预热1min。然后，通入流量为420sccm的氢气。同时，同步增加生长腔室的压力和微波的功率至腔室中的压力达到15.5KPa，温度达到970℃，升温时间为18min。然后，通入流量为2sccm的甲烷气体进行生长4h，得到单晶金刚石层。生长结束后，同步降低生长腔室的压力和微波的功率至腔室中的压力和温度至关闭结束状态，降温时间为30min，且降温初始阶段的速率较慢，得到最终的探测介质。
实施例4：
在尺寸为3.5mm×4mm×1mm的HPHT单晶金刚石基体的上表面用激光直写出3条沟槽，激光的束斑直径为5μm，功率350W，扫描速度为800mm/s，沟槽的宽度分别为40μm、40μm和50μm左右，深度分别为30μm、35μm和60μm左右，长度约为1mm，其沟槽的二维截面尺寸如图8所示。然后在其两端直写出两个1mm×0.6mm的方形槽，形成多线条的工形槽。激光直写后沟槽内存在石墨层，该石墨层由金刚石原位转化生成，经导电性测试，该石墨层的电阻为12Ω/cm左右。
然后，将带有沟槽的金刚石基体在乙醇溶液中超声10min，再置于MPCVD设备的生长腔室内，抽真空至生长腔室内的气压为0.1Pa，并预热1min。然后，通入流量为390sccm的氢气。同时，同步增加生长腔室的压力和微波的功率至腔室中的压力达到15KPa，温度达到950℃，升温时间为20min。然后，通入流量为3sccm的甲烷气体进行生长4h，得到单晶金刚石层。生长结束后，同步降低生长腔室的压力和微波的功率至腔室中的压力和温度至关闭结束状态，降温时间为40min，且降温初始阶段的速率较慢，得到最终的探测介质。
获得的探测介质的3条沟槽处的二维截面尺寸如图9所示。对比图8和图9可知，沟槽处已基本生长有一定厚度的单晶金刚石。
实施例5：
在尺寸为3.5mm×4mm×1mm的HPHT单晶金刚石基体的上表面用激光直写出1条沟槽，激光的束斑直径为1μm，功率300W，扫描速度为800mm/s，沟槽的宽度为2μm左右，深度为30μm左右，长度约为1mm，然后在其两端直写出两个1mm×0.6mm的方形槽，形成工形槽。激光直写后沟槽内存在石墨层，该石墨层由金刚石原位转化生成，经导电性测试，该石墨层的电阻为30Ω/cm左右。
然后，将带有沟槽的金刚石基体在乙醇溶液中超声10min，再置于MPCVD设备的生长腔室内，抽真空至生长腔室内的气压为0.1Pa，并预热1min。然后，通入流量为380sccm的氢气。同时，同步增加生长腔室的压力和微波的功率至腔室中的压力达到16.5KPa，温度达到960℃，升温时间为15min。然后，通入流量为5sccm的甲烷气体进行生长3h，得到单晶金刚石层。生长结束后，同步降低生长腔室的压力和微波的功率至腔室中的压力和温度至关闭结束状态，降温时间为30min，且降温初始阶段的速率较慢，得到最终的探测介质。经拉曼和SEM检测沟槽中心区确认晶型为单晶金刚石，且表面形貌较平整，两部分方槽区有微量微晶产生。
实施例6：
在尺寸为6mm×6mm×1mm的CVD单晶金刚石基体的上表面用激光直写出3条沟槽，激光的束斑直径为1μm，功率300W，扫描速度为800mm/s，沟槽的宽度分别为2μm，30μm，55μm左右，深度为30μm，60μm，80μm左右，长度约为3mm，然后在其两端直写出两个1mm×1mm的方形槽，形成工形槽。激光直写后三个沟槽内均存在石墨层，该石墨层由金刚石原位转化生成，经导电性测试，该石墨层的电阻为分别为28Ω/cm，22Ω/cm，25Ω/cm左右。
然后，将带有沟槽的金刚石基体在乙醇溶液中超声10min，再置于MPCVD设备的生长腔室内，抽真空至生长腔室内的气压为0.1Pa，并预热1min。然后，通入流量为400sccm的氢气。同时，同步增加生长腔室的压力和微波的功率至腔室中的压力达到16.1KPa，温度达到900℃，升温时间为16min。然后，通入流量为2sccm的甲烷气体进行生长6h，得到单晶金刚石层。生长结束后，同步降低生长腔室的压力和微波的功率至腔室中的压力和温度至关闭结束状态，降温时间为40min，且降温初始阶段的速率较慢，得到最终的探测介质。经拉曼和SEM检测三条沟槽中心区均为单晶金刚石，且表面形貌基本平整，但随着沟槽区宽度的增加，表面处会出现微量微晶金刚石，且平整性略有下降。
实施例7：
在尺寸为6mm×6mm×1mm的CVD单晶金刚石基体的上表面用激光直写出3条沟槽，激光的束斑直径为2μm，功率100W，扫描速度为500mm/s，沟槽的宽度分别为1μm，20μm，60μm左右，深度为30μm，50μm，100μm左右，长度约为3mm，然后在其两端直写出两个1mm×1mm的方形槽，形成工形槽。激光直写后三个沟槽内均存在石墨层，该石墨层由金刚石原位转化生成，经导电性测试，该石墨层的电阻为分别为23Ω/cm，20Ω/cm，24Ω/cm左右。
然后，将带有沟槽的金刚石基体在乙醇溶液中超声10min，再置于MPCVD设备的生长腔室内，抽真空至生长腔室内的气压为0.1Pa，并预热1min。然后，通入流量为450sccm的氢气。同时，同步增加生长腔室的压力和微波的功率至腔室中的压力达到16KPa，温度达到1000℃，升温时间为25min。然后，通入流量为1sccm的甲烷气体进行生长8h，得到单晶金刚石层。生长结束后，同步降低生长腔室的压力和微波的功率至腔室中的压力和温度至关闭结束状态，降温时间为40min，且降温初始阶段的速率较慢，得到最终的探测介质。经拉曼和SEM检测三条沟槽中心区均为单晶金刚石，且表面形貌基本平整，但随着沟槽区宽度的增加，表面处会出现微量微晶金刚石，且平整性略有下降。
实施例8：
在尺寸为6mm×6mm×1mm的CVD单晶金刚石基体的上表面用激光直写出3条沟槽，激光的束斑直径为3μm，功率500W，扫描速度为1500mm/s，沟槽的宽度分别为5μm，25μm，35μm左右，深度为25μm，45μm，55μm左右，长度约为2mm，然后在其两端直写出两个1mm×1mm的方形槽，形成工形槽。激光直写后三个沟槽内均存在石墨层，该石墨层由金刚石原位转化生成，经导电性测试，该石墨层的电阻为分别为21Ω/cm，22Ω/cm，22Ω/cm左右。
然后，将带有沟槽的金刚石基体在乙醇溶液中超声10min，再置于MPCVD设备的生长腔室内，抽真空至生长腔室内的气压为0.1Pa，并预热1min。然后，通入流量为350sccm的氢气。同时，同步增加生长腔室的压力和微波的功率至腔室中的压力达到16KPa，温度达到850℃，升温时间为10min。然后，通入流量为10sccm的甲烷气体进行生长2h，得到单晶金刚石层。生长结束后，同步降低生长腔室的压力和微波的功率至腔室中的压力和温度至关闭结束状态，降温时间为40min，且降温初始阶段的速率较慢，得到最终的探测介质。经拉曼和SEM检测三条沟槽中心区均为单晶金刚石，且表面形貌基本平整，但随着沟槽区宽度的增加，表面处会出现微量微晶金刚石，且平整性略有下降。
对比例1：
在尺寸为3.5mm×4mm×1mm的HPHT单晶金刚石基体的上表面用激光直写出2条沟槽，激光的束斑直径为20μm，功率350W，扫描速度为1000mm/s，沟槽的宽度为80μm，120μm左右，深度为150μm左右，长度约为1mm。激光直写后沟槽内存在石墨层，该石墨层由金刚石原位转化生成，经导电性测试，该石墨层的电阻为25Ω/cm左右。
然后，将带有沟槽的金刚石基体在乙醇溶液中超声10min，再置于MPCVD设备的生长腔室内，抽真空至生长腔室内的气压为0.1Pa，并预热1min。然后，通入流量为400sccm的氢气。同时，同步增加生长腔室的压力和微波的功率至腔室中的压力达到16KPa，温度达到950℃，升温时间为15min。然后，通入流量为2sccm的甲烷气体进行生长8h。生长结束后，同步降低生长腔室的压力和微波的功率至腔室中的压力和温度至关闭结束状态，降温时间为30min，且降温初始阶段的速率较慢，得到最终的探测介质。经拉曼和SEM检测沟槽中心区表明沟槽处存在较多的多晶和微晶，单晶金刚石区少且不连续，且表面形貌较粗糙，有许多凸起状的晶粒。
对比例2：
在尺寸为6mm×6mm×1mm的CVD单晶金刚石基体的上表面用激光直写出2条沟槽，激光的束斑直径为20μm，功率350W，扫描速度为1000mm/s，沟槽的宽度分别为80μm，120μm左右，深度为150μm左右，长度约为3mm。激光直写后2个沟槽内均存在石墨层，该石墨层由金刚石原位转化生成，经导电性测试，该石墨层的电阻为分别为20Ω/cm，22Ω/cm左右。
然后，将带有沟槽的金刚石基体在乙醇溶液中超声10min，再置于MPCVD设备的生长腔室内，抽真空至生长腔室内的气压为0.1Pa，并预热1min。然后，通入流量为400sccm的氢气。同时，同步增加生长腔室的压力和微波的功率至腔室中的压力达到16KPa，温度达到950℃，升温时间为15min。然后，通入流量为2sccm的甲烷气体进行生长8h。生长结束后，同步降低生长腔室的压力和微波的功率至腔室中的压力和温度至关闭结束状态，降温时间为40min，且降温初始阶段的速率较慢，得到最终的探测介质。经拉曼和SEM检测沟槽中心区表明沟槽处存在较多的多晶和微晶，单晶金刚石区少且不连续，且表面形貌较粗糙，有许多凸起状的晶粒，沟槽两侧未能外延生长结合在一起。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种探测介质的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供单晶的金刚石基体；
采用激光直写所述金刚石基体的表面，使金刚石原位转化生成石墨层，其中，所述石墨层的表面低于所述金刚石基体的表面而形成自所述金刚石基体表面延伸至所述石墨层的沟槽，所述沟槽的宽度为1μm～60μm，深度为20μm～100μm，长度不小于所述金刚石基体的表面的最短尺寸的1/4；以及
在所述金刚石基体上外延生长单晶金刚石层，并使所述单晶金刚石层至少覆盖所述石墨层，得到探测介质。
2.根据权利要求1所述的探测介质的制备方法，其特征在于，所述沟槽的长度为所述金刚石基体最短尺寸的1/3～1/2。
3.根据权利要求1所述的探测介质的制备方法，其特征在于，所述沟槽的数量为多个，多个所述沟槽间隔设置于所述金刚石基体的同一表面。
4.根据权利要求1所述的探测介质的制备方法，其特征在于，所述激光的束斑直径为1μm～10μm。
5.根据权利要求1所述的探测介质的制备方法，其特征在于，所述激光的功率为100w～500w，扫描速度为500mm/s～1500mm/s。
6.根据权利要求1所述的探测介质的制备方法，其特征在于，采用微波等离子体化学气相沉积方法在所述金刚石基体上外延生长单晶金刚石层。
7.根据权利要求6所述的探测介质的制备方法，其特征在于，所述微波等离子体化学气相沉积方法中，甲烷流量为1sccm～10sccm，氢气流量为350sccm～450sccm，生长腔室内的压力为15KPa～17KPa。
8.根据权利要求7所述的探测介质的制备方法，其特征在于，所述微波等离子体化学气相沉积方法中，生长温度为850℃～1000℃，升温时间为10min～25min，生长时间为2h～8h，生长结束后降温时间不少于25min。
9.一种探测介质，其特征在于，如权利要求1～8任一项所述制备方法得到，包括单晶的金刚石基体、石墨层和单晶金刚石层，所述石墨层嵌设于所述金刚石基体中，所述石墨层的表面低于所述金刚石基体的表面而形成自所述金刚石基体表面延伸至所述石墨层的沟槽，所述单晶金刚石层至少覆盖所述石墨层并填充所述沟槽。
10.一种金刚石探测器，其特征在于，所述金刚石探测器包括如权利要求9所述的探测介质。
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