中科院半導(dǎo)體所團(tuán)隊(duì)：破解異質(zhì)外延金剛石厚膜開裂難題

隨著高功率電子器件、熱管理、光電子及量子技術(shù)的發(fā)展，兼具超寬禁帶、高熱導(dǎo)率和高擊穿電場(chǎng)等優(yōu)異性能的單晶金剛石，被認(rèn)為是新一代高性能半導(dǎo)體材料的重要代表。然而，大尺寸、高質(zhì)量單晶金剛石襯底仍然制約著產(chǎn)業(yè)發(fā)展。其中，基于Ir/YSZ/Si復(fù)合襯底的異質(zhì)外延生長雖然已成為實(shí)現(xiàn)大尺寸金剛石晶圓的重要路線，但由于晶格失配和熱膨脹系數(shù)差異，隨著膜層不斷增厚，內(nèi)部應(yīng)力持續(xù)累積，極易導(dǎo)致翹曲、開裂甚至剝離，這也是當(dāng)前厚膜生長面臨的核心挑戰(zhàn)。

近日，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所金鵬團(tuán)隊(duì)，系統(tǒng)研究了激光刻槽模板對(duì)異質(zhì)外延金剛石生長過程及應(yīng)力分布的影響，并揭示了其實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)無裂紋金剛石厚膜生長的作用機(jī)制。相關(guān)成果以“Growth evolution and stress distribution in heteroepitaxial diamond with laser-patterned templates”為題，發(fā)表在《Functional Diamond》。

圖1. 整體實(shí)驗(yàn)流程示意圖。

研究團(tuán)隊(duì)首先在約500 nm厚的異質(zhì)外延金剛石籽晶層表面，利用355 nm紫外激光加工出規(guī)則的網(wǎng)格狀刻槽，再通過微波等離子體化學(xué)氣相沉積（MPCVD）開展后續(xù)厚膜生長。為了觀察整個(gè)演化過程，研究人員分別在多個(gè)不同沉積階段終止實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合掃描電子顯微鏡、X射線衍射以及拉曼光譜等手段，對(duì)形貌、晶體質(zhì)量和殘余應(yīng)力進(jìn)行了系統(tǒng)表征。

研究結(jié)果表明，激光刻槽改變了后續(xù)金剛石的局部生長環(huán)境。生長初期，刻槽內(nèi)部優(yōu)先形成多晶金剛石，而周圍區(qū)域則繼續(xù)保持（001）取向的單晶外延生長。隨著沉積不斷進(jìn)行，單晶金剛石具有更快的垂直生長速率，逐漸向刻槽區(qū)域橫向擴(kuò)展，最終將刻槽完全覆蓋，形成連續(xù)的單晶外延表面，而早期形成的多晶區(qū)域則被埋藏于膜層內(nèi)部。

論文指出，這些埋藏的多晶通道成為應(yīng)力釋放的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。由于多晶區(qū)域含有大量晶界，其力學(xué)柔順性高于單晶區(qū)域，在冷卻過程中能夠吸收和重新分配熱應(yīng)力，從而降低周圍單晶區(qū)域的應(yīng)力集中，顯著抑制裂紋產(chǎn)生。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，相比未進(jìn)行激光刻槽的樣品，采用激光模板后，約50 μm厚金剛石膜未出現(xiàn)明顯裂紋，殘余壓應(yīng)力也由約1.61 GPa降至約0.19 GPa。

在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步完成約200小時(shí)連續(xù)生長，成功獲得厚度約1 mm的自支撐異質(zhì)外延單晶金剛石。XRD和拉曼測(cè)試結(jié)果表明，所得厚膜依然保持良好的（001）外延取向，晶體質(zhì)量較高，殘余應(yīng)力維持在較低水平。盡管內(nèi)部保留了埋藏的多晶通道，但這些結(jié)構(gòu)并未明顯降低整體晶體質(zhì)量，反而成為實(shí)現(xiàn)厚膜無裂紋生長的重要保障。

總體來看，該研究系統(tǒng)闡明了激光刻槽模板調(diào)控異質(zhì)外延金剛石生長演化和應(yīng)力釋放的內(nèi)在機(jī)制，揭示了刻槽區(qū)域由多晶填充、單晶覆蓋到形成埋藏應(yīng)力緩沖層的完整演變過程，為大面積、厚單晶金剛石材料的可控制備提供了新的工藝思路，也為解決異質(zhì)外延過程中長期存在的應(yīng)力與開裂問題提供了重要參考。