近日，日本國(guó)立物質(zhì)材料研究所廖梅勇主席研究員團(tuán)隊(duì)的AMR述評(píng)文章“Low-Energy Dissipation Diamond MEMS”在線發(fā)表。文章基于實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的“智能剪切”法所制備的器件，概述了實(shí)現(xiàn)超高品質(zhì)因子單晶金剛石微機(jī)電系統(tǒng)的最新研究進(jìn)展與策略。這些策略代表了推動(dòng)金剛石MEMS諧振子性能提升與應(yīng)用擴(kuò)展的關(guān)鍵技術(shù)。

       關(guān)鍵詞：金剛石；MEMS；品質(zhì)因子；共振特性；能量耗散

       1、文章內(nèi)容簡(jiǎn)介

       微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electromechanical Systems, MEMS）因其高靈敏度、可批量生產(chǎn)、低功耗和易集成等優(yōu)勢(shì)，在過(guò)去三十年得到迅速發(fā)展。MEMS廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，從汽車(chē)安全中的加速度計(jì)和陀螺儀，到消費(fèi)電子中的精密參考振蕩器，再到原子力顯微鏡探針和引力波探測(cè)傳感器。品質(zhì)因子（Quality Factor, Q）是MEMS諧振子的基本參數(shù)，決定了器件的靈敏度、噪聲水平、能耗效率和穩(wěn)定性。盡管傳統(tǒng)半導(dǎo)體硅基MEMS由于其成熟的微電子技術(shù)，已經(jīng)取得了卓越的進(jìn)步，但其固有材料特性限制了靈敏度、穩(wěn)定性和可靠性，尤其是在極端條件下的應(yīng)用。單晶金剛石（Single-Crystal Diamond, SCD）憑借其優(yōu)異的材料特性，例如極高的機(jī)械強(qiáng)度、卓越的電學(xué)性能、最高的熱導(dǎo)率和化學(xué)惰性，已成為制備高靈敏度和高可靠性MEMS的理想材料（圖1）。因此，金剛石MEMS表現(xiàn)出高品質(zhì)因子、高可靠性、低熱機(jī)械力噪聲和長(zhǎng)機(jī)械量子態(tài)相干時(shí)間，不僅能提升MEMS器件性能，還能擴(kuò)展至量子領(lǐng)域。此外，SCD不存在晶界和其他碳相，是實(shí)現(xiàn)超低能量損耗（或超高品質(zhì)因子）MEMS諧振子的最優(yōu)選擇。然而，SCD微加工非常困難，而且在異質(zhì)襯底上進(jìn)行SCD的外延生長(zhǎng)仍然具有挑戰(zhàn)性。

圖1 高品質(zhì)SCD M/NEMS的制備及應(yīng)用

       在這篇述評(píng)中，我們概述了實(shí)現(xiàn)超高品質(zhì)因子SCD MEMS的最新研究進(jìn)展與策略，主要基于我們實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的“智能剪切”法所制備的器件。首先，我們介紹了金剛石MEMS的概念，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、基本原理和應(yīng)用。隨后詳細(xì)討論了金剛石MEMS諧振子中影響品質(zhì)因子的能量損耗機(jī)制。我們主要提出了三種提升金剛石諧振子品質(zhì)因子的策略（圖2），包括：①在離子注入襯底上生長(zhǎng)高晶體質(zhì)量的SCD外延層；②超高真空退火減少晶體缺陷，以及原子層級(jí)氧刻蝕消除缺陷層的缺陷工程；以及③通過(guò)將諧振器減薄至約100 nm厚度的應(yīng)變工程。在“智能剪切”法中，約100 nm厚的缺陷層是主要的本征能量損耗來(lái)源。通過(guò)在缺陷層之上生長(zhǎng)高晶體質(zhì)量的金剛石外延層，并對(duì)缺陷層進(jìn)行原子尺度的刻蝕，品質(zhì)因子可以從幾千提高到超過(guò)一百萬(wàn)（室溫下），這是所有半導(dǎo)體材料中最高的。SCD MEMS的高品質(zhì)因子還得益于外延層的純度控制以及金剛石的超寬禁帶。通過(guò)對(duì)SCD MEMS進(jìn)行納米尺度的應(yīng)變工程，品質(zhì)因子有望得到進(jìn)一步增強(qiáng)。這些策略代表了推動(dòng)金剛石MEMS諧振子性能提升與應(yīng)用擴(kuò)展的關(guān)鍵技術(shù)。

圖2 金剛石MEMS的能量耗散機(jī)制及品質(zhì)因子增強(qiáng)策略

AMR：請(qǐng)問(wèn)您選擇該領(lǐng)域的初心是？

作者團(tuán)隊(duì)：

新一代半導(dǎo)體——金剛石，具有5.5 eV的超寬帶隙，被稱為終極半導(dǎo)體，是當(dāng)前國(guó)際材料科學(xué)研究的前沿和熱點(diǎn)之一。單晶金剛石由于其無(wú)與倫比的材料特性，具有理論最高共振頻率和最高品質(zhì)因子，確保了制備器件的靈敏度、可靠性和響應(yīng)速度，成為克服傳統(tǒng)半導(dǎo)體基MEMS本征缺陷的理想材料。通過(guò)厘清金剛石MEMS的能量耗散機(jī)制，并探究納米尺度下NEMS諧振子的尺寸效應(yīng)和應(yīng)變工程，可以進(jìn)一步增強(qiáng)其品質(zhì)因子，實(shí)現(xiàn)超高品質(zhì)因子、極低能量耗散的SCD NEMS諧振子，用于制備超高靈敏度和超高可靠性的NEMS傳感器件。因此，單晶金剛石MEMS/NEMS成為我們團(tuán)隊(duì)的研究焦點(diǎn)。

AMR：您對(duì)該領(lǐng)域的發(fā)展有何愿景？

作者團(tuán)隊(duì)：

納米尺度的納機(jī)電系統(tǒng)（Nano-Electromechanical Systems, NEMS）由于其更小的尺寸、更輕的質(zhì)量和更低的功耗，能夠提供比微米級(jí)MEMS更高的集成度、靈敏度和探測(cè)率。然而，當(dāng)器件尺寸進(jìn)入納米尺度時(shí)，傳統(tǒng)半導(dǎo)體基NEMS會(huì)出現(xiàn)表面能量損耗高和熱穩(wěn)定性差等問(wèn)題，限制其靈敏度和可靠性，給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)難題。如硅，碳化硅以及III-V族氮化物半導(dǎo)體等都有天然固態(tài)氧化層，在進(jìn)入納米尺度時(shí)，表面能耗占據(jù)主導(dǎo)，會(huì)極大地降低NEMS振子的品質(zhì)因子。SCD由于具有最高機(jī)械強(qiáng)度和楊氏模量，無(wú)固態(tài)氧化層，能夠提供最高共振頻率和品質(zhì)因子，從而能夠克服這些問(wèn)題。這為開(kāi)發(fā)面向高頻率、高精度和極端環(huán)境下應(yīng)用的高靈敏度和高可靠性NEMS傳感器提供了重要基礎(chǔ)，結(jié)合金剛石中氮-空位色心的可控研究，高品質(zhì)因子SCD NEMS諧振器件在量子傳感和5G通信等未來(lái)關(guān)鍵領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力和應(yīng)用價(jià)值。

       作者團(tuán)隊(duì)簡(jiǎn)介

       陳果，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）材料科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生，日本國(guó)立材料研究所（NIMS）訪學(xué)博士生。主要從事單晶金剛石MEMS/NEMS的制備及其高性能傳感器的開(kāi)發(fā)。

       小泉 聡， 1993年在青山學(xué)院大學(xué)獲得電氣電子工程博士學(xué)位，現(xiàn)任日本國(guó)立材料研究所（NIMS）超寬禁帶半導(dǎo)體課題組組長(zhǎng)，其研究領(lǐng)域主要是n型金剛石半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)。

       小出 康夫，1988年在名古屋大學(xué)獲得電子工程博士學(xué)位，現(xiàn)任日本國(guó)立材料研究所（NIMS）次世代半導(dǎo)體課題組組長(zhǎng)，長(zhǎng)期致力于寬禁帶半導(dǎo)體材料光-電器件的研究。

       廖梅勇，1996年、1999年分別獲得中國(guó)蘭州大學(xué)學(xué)士和碩士學(xué)位，2002年獲得中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所（香港城市大學(xué)COSDAF聯(lián)合培養(yǎng)）博士學(xué)位。2002年至2004年于京都大學(xué)擔(dān)任訪問(wèn)副教授。2004年加入日本國(guó)立材料研究所（NIMS）擔(dān)任博士后研究員，并于2008年被聘為主任研究員。目前擔(dān)任NIMS主席研究員，主要研究方向包括半導(dǎo)體金剛石生長(zhǎng)、MEMS以及半導(dǎo)體電子和光電子器件。