中科院半导体所团队：破解异质外延金刚石厚膜开裂难题

随着高功率电子器件、热管理、光电子及量子技术的发展，兼具超宽禁带、高热导率和高击穿电场等优异性能的单晶金刚石，被认为是新一代高性能半导体材料的重要代表。然而，大尺寸、高质量单晶金刚石衬底仍然制约着产业发展。其中，基于Ir/YSZ/Si复合衬底的异质外延生长虽然已成为实现大尺寸金刚石晶圆的重要路线，但由于晶格失配和热膨胀系数差异，随着膜层不断增厚，内部应力持续累积，极易导致翘曲、开裂甚至剥离，这也是当前厚膜生长面临的核心挑战。

近日，中国科学院半导体研究所金鹏团队，系统研究了激光刻槽模板对异质外延金刚石生长过程及应力分布的影响，并揭示了其实现毫米级无裂纹金刚石厚膜生长的作用机制。相关成果以“Growth evolution and stress distribution in heteroepitaxial diamond with laser-patterned templates”为题，发表在《Functional Diamond》。

研究团队首先在约500 nm厚的异质外延金刚石籽晶层表面，利用355 nm紫外激光加工出规则的网格状刻槽，再通过微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）开展后续厚膜生长。为了观察整个演化过程，研究人员分别在多个不同沉积阶段终止实验，并结合扫描电子显微镜、X射线衍射以及拉曼光谱等手段，对形貌、晶体质量和残余应力进行了系统表征。

研究结果表明，激光刻槽改变了后续金刚石的局部生长环境。生长初期，刻槽内部优先形成多晶金刚石，而周围区域则继续保持（001）取向的单晶外延生长。随着沉积不断进行，单晶金刚石具有更快的垂直生长速率，逐渐向刻槽区域横向扩展，最终将刻槽完全覆盖，形成连续的单晶外延表面，而早期形成的多晶区域则被埋藏于膜层内部。

论文指出，这些埋藏的多晶通道成为应力释放的关键结构。由于多晶区域含有大量晶界，其力学柔顺性高于单晶区域，在冷却过程中能够吸收和重新分配热应力，从而降低周围单晶区域的应力集中，显著抑制裂纹产生。实验结果显示，相比未进行激光刻槽的样品，采用激光模板后，约50 μm厚金刚石膜未出现明显裂纹，残余压应力也由约1.61 GPa降至约0.19 GPa。

在此基础上，研究团队进一步完成约200小时连续生长，成功获得厚度约1 mm的自支撑异质外延单晶金刚石。XRD和拉曼测试结果表明，所得厚膜依然保持良好的（001）外延取向，晶体质量较高，残余应力维持在较低水平。尽管内部保留了埋藏的多晶通道，但这些结构并未明显降低整体晶体质量，反而成为实现厚膜无裂纹生长的重要保障。

总体来看，该研究系统阐明了激光刻槽模板调控异质外延金刚石生长演化和应力释放的内在机制，揭示了刻槽区域由多晶填充、单晶覆盖到形成埋藏应力缓冲层的完整演变过程，为大面积、厚单晶金刚石材料的可控制备提供了新的工艺思路，也为解决异质外延过程中长期存在的应力与开裂问题提供了重要参考。