作为一种超宽带隙半导体材料，金刚石具有禁带宽度大、载流子迁移率高，载流子饱和漂移速度大、临界击穿场强大、热导率高等优点，非常适合用于制备高频、大功率、耐高温、抗辐照的电子学器件以及深紫外波段的光电子器件，在新能源、6G通信、空间科学等领域具有广泛的应用前景。在半导体金刚石材料与器件研究中，大尺寸金刚石单晶衬底和外延薄膜的制备是一个重要的研究方向，但由于衬底与外延层之间极大的应力，其面临巨大的技术挑战。
在铱(Ir)复合衬底上结合偏压增强成核技术的异质外延方法是目前制备大尺寸单晶金刚石研究最广泛的方法。然而，在实际中实现大尺寸异质外延金刚石仍然具有挑战性。首先，异质外延体系中的晶格失配会在体系中引入较高的位错密度，对于几百微米厚度的金刚石，通常在107-109 cm-2的范围内。此外，金刚石-铱复合材料体系内的晶格失配以及由于热膨胀系数差异导致的热失配会在金刚石薄膜中产生高达GPa量级的应力，导致金刚石外延层开裂。
中国科学院半导体研究所金鹏团队在金刚石生长中取得重要进展，采用激光切割图案化工艺缓解金刚石层异质外延生长过程中的巨大应力，在Ir/YSZ/Si复合衬底上实现了2英寸异质外延自支撑金刚石单晶的制备。结果表明激光图案化方法可以在大尺寸金刚石生长过程中有效释放应力，为传统光刻图案化方案提供了一种更简单、更经济的替代方案。
团队长期得到王占国院士的大力支持和悉心指导。该工作得到北京市科技计划等项目的支持。
图1 制备流程
图2. (a) Ir/YSZ/Si (001) 上异质外延金刚石的 θ-2θ 扫描 X 射线衍射图； (b) 金刚石(111)和Ir(111)在极角χ=54.74°下的面内φ扫描； (c) 金刚石{111}衍射峰的X射线极图；(d) 金刚石 (200)、(e) (311)和(f) (220)的摇摆曲线。
图3. (a) 2 英寸自支撑金刚石单晶照片 (b) 等离子蚀刻后金刚石表面的刻蚀坑显微图像。
