宽禁带科技论|使用激光图案化衬底方法在Ir/YSZ/Si (001)复合衬底上制备2英寸自支撑金 ...

作为一种超宽带隙半导体材料，金刚石具有禁带宽度大、载流子迁移率高、载流子饱和漂移速度大、临界击穿场强大、热导率高等优点，非常适合用于制备高频、大功率、耐高温、抗辐照的电子学器件以及深紫外波段的光电子器件，在新能源、6G通信、空间科学等领域具有广泛的应用前景。在半导体金刚石材料与器件研究中，大尺寸金刚石单晶衬底和外延薄膜的制备是一个重要的研究方向。由于衬底与外延层之间极大的应力，使其面临巨大的技术挑战。

在Ir复合衬底上结合偏压增强成核技术的异质外延方法是目前制备大尺寸单晶金刚石研究最广泛的方法。然而，在实际中实现大尺寸异质外延金刚石仍然具有挑战性。首先，异质外延体系中的晶格失配会在体系中引入较高的位错密度，对于几百微米厚度的金刚石，通常在107-109 cm-2的范围内。此外，金刚石-铱复合材料体系内的晶格失配以及由于热膨胀系数差异导致的热失配会在金刚石薄膜中产生高达几GPa的应力，导致金刚石外延层开裂。

中国科学院半导体研究所金鹏团队在国际上首次采用激光切割图案化工艺缓解金刚石层异质外延生长过程中的巨大应力，实现了2英寸异质外延自支撑金刚石单晶的制备，位错密度为2.2×107 cm-2，达到国际先进水平。结果表明激光图案化方法可以在大尺寸金刚石生长过程中有效释放应力，为传统光刻图案化方案提供了一种更简单、更经济的替代方案。

图1. 制备流程。

图2. (a) Ir/YSZ/Si (001) 上异质外延金刚石的 θ-2θ 扫描 X 射线衍射图；(b) 金刚石(111)和Ir(111)在极角χ=54.74°下的面内φ扫描；(c) 金刚石{111}衍射峰的X射线极图；(d) 金刚石 (200)、(e) (311)和(f) (220)的摇摆曲线。

图3. (a) 2 英寸自支撑金刚石单晶照片；(b) 等离子蚀刻后金刚石表面的刻蚀坑显微图像。

该成果以“Growth of two-inch free-standing heteroepitaxial diamond on Ir/YSZ/Si (001) substrates via laser-patterned templates”为题目，在Journal of Semiconductors上以短通讯形式发表。团队长期得到王占国院士的大力支持和悉心指导。该工作得到北京市科技计划等的支持。

第一作者

屈鹏霏，中国科学院半导体研究所博士后。

2024年博士毕业于中国科学院大学，材料与化工专业。毕业后在中国科学院半导体研究所担任博士后，继续从事大尺寸单晶金刚石异质外延生长研究。

通讯作者

金鹏，中国科学院半导体研究所研究员，中国科学院大学岗位教授，博士生导师。

1996年在南开大学获得学士学位，2001年在南开大学获得理学博士学位。2001年在中国科学院半导体研究所从事博士后研究，合作导师王占国院士。2003年加入中国科学院半导体研究所工作至今。目前主要从事半导体金刚石材料与器件、低维半导体材料与器件、科学仪器等研究。先后承担973、国家重大科研装备研制、科技部重点研发计划、国家自然科学基金、北京市科技计划等项目（课题）多项。发表学术论文近百篇，获国家发明专利授权10余项。

文章链接：J. Semicond., 2024, 45(9), 090501, doi: 10.1088/1674-4926/24060003

来源：半导体学报

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