【儀表網 研發快訊】作為一種超寬帶隙半導體材料，金剛石具有禁帶寬度大、載流子遷移率高，載流子飽和漂移速度大、臨界擊穿場強大、熱導率高等優點，非常適合用于制備高頻、大功率、耐高溫、抗輻照的電子學器件以及深紫外波段的光電子器件，在新能源、6G通信、空間科學等領域具有廣泛的應用前景。在半導體金剛石材料與器件研究中，大尺寸金剛石單晶襯底和外延薄膜的制備是一個重要的研究方向，但由于襯底與外延層之間極大的應力，其面臨巨大的技術挑戰。
在銥(Ir)復合襯底上結合偏壓增強成核技術的異質外延方法是目前制備大尺寸單晶金剛石研究最廣泛的方法。然而，在實際中實現大尺寸異質外延金剛石仍然具有挑戰性。首先，異質外延體系中的晶格失配會在體系中引入較高的位錯密度，對于幾百微米厚度的金剛石，通常在107-109 cm-2的范圍內。此外，金剛石-銥復合材料體系內的晶格失配以及由于熱膨脹系數差異導致的熱失配會在金剛石薄膜中產生高達GPa量級的應力，導致金剛石外延層開裂。
中國科學院半導體研究所金鵬團隊在金剛石生長中取得重要進展，采用激光切割圖案化工藝緩解金剛石層異質外延生長過程中的巨大應力，在Ir/YSZ/Si復合襯底上實現了2英寸異質外延自支撐金剛石單晶的制備。結果表明激光圖案化方法可以在大尺寸金剛石生長過程中有效釋放應力，為傳統光刻圖案化方案提供了一種更簡單、更經濟的替代方案。
團隊長期得到王占國院士的大力支持和悉心指導。該工作得到北京市科技計劃等項目的支持。
圖1 制備流程
圖2. (a) Ir/YSZ/Si (001) 上異質外延金剛石的 θ-2θ 掃描 X 射線衍射圖； (b) 金剛石(111)和Ir(111)在極角χ=54.74°下的面內φ掃描； (c) 金剛石{111}衍射峰的X射線極圖；(d) 金剛石 (200)、(e) (311)和(f) (220)的搖擺曲線。
圖3. (a) 2 英寸自支撐金剛石單晶照片 (b) 等離子蝕刻后金剛石表面的刻蝕坑顯微圖像。
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