寬禁帶科技論|中科院半導體所金鵬團隊：成功破解異質外延金剛石厚膜開裂難題

金剛石憑借其超寬禁帶、超高載流子遷移率、極高擊穿場強以及卓越的熱導率，長期以來被視為高功率電子、熱管理、光電子及量子技術領域極具潛力的“終極半導體”材料。然而，要將金剛石的這些天賦優勢轉化為實用的晶圓級器件，首要前提是獲得大面積、高質量的單晶金剛石襯底，這至今仍是領域內的重大挑戰。

異質外延化學氣相沉積（CVD）被認為是實現可擴展金剛石晶圓的最具前景的路線之一。該工藝通常在 Ir/YSZ/Si(001) 等復合襯底上進行偏壓增強成核（BEN）與后續生長。Ir 層與碳的良好相互作用利于高密度成核，但金剛石與 Ir 之間存在約 7.1% 的晶格失配，加之金剛石、Ir 與硅襯底間巨大的熱膨脹系數差異，在長時間高溫沉積及冷卻過程中會引發數吉帕（GPa）級的內應力積累，導致厚膜彎曲、開裂甚至剝離。如何在厚膜生長中有效緩解應力、抑制裂紋，是異質外延金剛石走向實用的關鍵瓶頸。

傳統的應力緩解策略如外延橫向過生長（ELO）依賴光刻掩模，工藝復雜且應力調控靈活性有限。激光加工因具備無掩模、快速圖案化的能力，為應力管理提供了新思路。近期，中科院半導體所金鵬團隊在 Functional Diamond發表題為 《Growth evolution and stress distribution in heteroepitaxial diamond with laser-patterned templates》 的研究論文，系統揭示了激光刻槽模板如何調控異質外延金剛石的生長演化與應力分布，為實現毫米級無裂紋自支撐單晶金剛石提供了新機制。

圖2(a)為激光圖案化金剛石薄膜的表面形貌SEM圖，圖2(b)為十字形激光溝槽的放大SEM圖；插圖為溝槽內部的微觀結構細節。圖2(c)清洗前激光燒蝕溝槽的光學顯微鏡圖像；圖2(d)對應從不同區域（P1–P4）采集的拉曼光譜。圖2(e)混合酸清洗處理后溝槽的光學顯微鏡圖像；圖2(f)對應拉曼光譜（P1'–P4'）。

圖3(a)為兩種樣品在5°–125°范圍內的XRD掃描圖譜。圖3(b)為圖案化與未圖案化樣品金剛石(004)衍射面的X射線搖擺曲線(Δω)，半高寬分別為0.22°和0.14°。圖3(c1–c3)為圖案化樣品的拉曼光譜，顯示拉曼峰位、殘余應力和線寬的空間分布。圖3(d1–d3)為未圖案化樣品的對應拉曼光譜。殘余應力根據拉曼峰位相對于無應力金剛石（1332.0 cm?1）的偏移量計算，應力系數為?0.61 GPa·cm?1

圖4 金剛石各生長階段的光學顯微鏡照片：(a) 2小時；(b) 10小時；(c) 18小時；(d) 26小時；(e) 34小時；(f) 42小時；(g) 50小時（高倍放大）；(h) 50小時（低倍放大）

圖5 激光圖案化模板上生長演化與溝槽閉合的示意圖

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

論文指出，這些埋藏的多晶通道成為應力釋放的關鍵結構。由于多晶區域含有大量晶界，其力學柔順性高于單晶區域，在冷卻過程中能夠吸收和重新分配熱應力，從而降低周圍單晶區域的應力集中，顯著抑制裂紋產生。實驗結果顯示，相比未進行激光刻槽的樣品，采用激光模板后，約50 μm厚金剛石膜未出現明顯裂紋，殘余壓應力也由約1.61 GPa降至約0.19 GPa。

在此基礎上，研究團隊進一步完成約200小時連續生長，成功獲得厚度約1 mm的自支撐異質外延單晶金剛石。XRD和拉曼測試結果表明，所得厚膜依然保持良好的（001）外延取向，晶體質量較高，殘余應力維持在較低水平。盡管內部保留了埋藏的多晶通道，但這些結構并未明顯降低整體晶體質量，反而成為實現厚膜無裂紋生長的重要保障。

本研究系統闡明了激光刻槽模板調控異質外延金剛石生長演化和應力釋放的內在機制，揭示了刻槽區域由多晶填充、單晶覆蓋到形成埋藏應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，也為解決異質外延過程中長期存在的應力與開裂問題提供了重要參考。