作為一種超寬帶隙半導(dǎo)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(qiáng)大、熱導(dǎo)率高等優(yōu)點(diǎn)，非常適合用于制備高頻、大功率、耐高溫、抗輻照的電子學(xué)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(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。在半導(dǎo)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(gè)重要的研究方向，但由于襯底與外延層之間極大的應(yīng)力，其面臨巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。

       在銥（Ir）復(fù)合襯底上結(jié)合偏壓增強(qiáng)成核技術(shù)的異質(zhì)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(shí)際中實(shí)現(xiàn)大尺寸異質(zhì)外延金剛石仍然具有挑戰(zhàn)性。首先，異質(zhì)外延體系中的晶格失配會(huì)在體系中引入較高的位錯(cuò)密度，對于幾百微米厚度的金剛石，通常在107-109cm-2的范圍內(nèi)。此外，金剛石-銥復(fù)合材料體系內(nèi)的晶格失配以及由于熱膨脹系數(shù)差異導(dǎo)致的熱失配會(huì)在金剛石薄膜中產(chǎn)生高達(dá)GPa量級(jí)的應(yīng)力，導(dǎo)致金剛石外延層開裂。

       中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所金鵬團(tuán)隊(duì)在金剛石生長中取得重要進(jìn)展，采用激光切割圖案化工藝緩解金剛石層異質(zhì)外延生長過程中的巨大應(yīng)力，在Ir/YSZ/Si復(fù)合襯底上實(shí)現(xiàn)了2英寸異質(zhì)外延自支撐金剛石單晶的制備。結(jié)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(yīng)力，為傳統(tǒng)光刻圖案化方案提供了一種更簡單、更經(jīng)濟(jì)的替代方案。

圖1 制備流程

圖2. (a) Ir/YSZ/Si (001) 上異質(zhì)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(nèi)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

原文鏈接：https://arxiv.org/pdf/2404.08446