90%转移良率！金刚石薄膜高效异质集成

金刚石在高功率电子（如GaN-金刚石复合器件）、X射线探测器、量子传感等领域展现出巨大潜力，但高质量大尺寸金刚石衬底的获取始终是瓶颈。目前主流方法包括同质外延和异质外延CVD生长，但均存在缺陷密度高、生长时间长、成本高昂等问题。

另一种思路是将成熟的Smart Cut™ 工艺引入金刚石体系，被认为是解决上述问题的潜在路径。然而，金刚石表面难以键合、转移过程中易产生缺陷，使该方案在实际应用中仍存在不确定性。

法国格勒诺布尔-阿尔卑斯大学、巴黎萨克雷大学等团队系统研究了将成熟的Smart Cut™技术应用于金刚石薄膜转移的过程，并取得了重要突破。相关成果以题为“Impact of hydrogen implantation on a transferred diamond layer”发表在《Diamond & Related Materials》期刊上。

研究思路：Smart Cut™ + 表面活化键合

本研究以 (001) 取向 CVD 单晶金刚石为供体衬底，通过氢离子注入在近表面区域形成劈裂层，随后采用表面活化键合（SAB）技术，将金刚石直接键合到硅衬底上。

与传统中间层键合不同，SAB 通过离子束清洗表面氧化层，使金刚石与硅在界面处形成稳定的共价键，从而显著提升界面结合强度，使其能够承受后续高温劈裂退火过程。最终，通过退火驱动氢在注入层中聚集并形成高压微裂纹，实现单晶金刚石薄膜的整体剥离与转移。

关键发现：倒金字塔并非金刚石“失效”

在转移后的金刚石薄膜表面，研究人员普遍观察到倒金字塔状形貌。这一结构一度被认为是金刚石材料受损的表现，但系统表征结果给出了不同结论。

通过 SEM、TEM、拉曼、阴极发光和微区 Laue 衍射等手段，作者发现：

• 金刚石薄膜主体仍保持良好的单晶结构；
• 显著的塑性变形主要发生在硅衬底一侧
• 倒金字塔结构源于高温劈裂过程中，氢微裂纹内部压力升高，而硅在该温区发生脆-韧转变，导致氢裂纹“压入”硅衬底，从而在金刚石表面形成对应形貌。

这意味着，该异常形貌并非金刚石晶体破坏，而是氢注入-高温-硅塑性变形耦合效应的结果。

研究团队进一步提出了一种转移后表面清洁方法，可有效去除残余石墨和多孔层，获得外延就绪（epi-ready）的平滑金刚石表面，同时允许供体衬底重复利用。这为实现低成本、可规模化的金刚石异质集成提供了思路。

总的来说该研究表明，通过 SAB + Smart Cut™ 工艺，金刚石薄膜向硅衬底的转移良率可接近 90%，且金刚石晶体质量整体可控。更重要的是，论文首次系统阐明了氢注入在金刚石转移过程中的真实作用机理，为后续工艺窗口优化提供了明确方向。

从应用角度看，这一成果为大尺寸、低成本金刚石异质集成提供了重要实验依据，对金刚石在功率器件、热管理和量子器件中的产业化具有现实参考价值。

图文导读

图1. 应用于金刚石的Smart Cut™工艺概述。金刚石同时经退火处理并注入H+离子（步骤1），随后通过SAB键合技术直接键合于硅衬底（步骤2）。高温退火使薄膜与金刚石供体分离（步骤3）。

图2. (a) 样品A在退火过程中的红外共聚焦图像。灰色干涉条纹表明掺杂界面处存在高度变化。(b)、(d)为转移薄膜在硅衬底上的光学图像，(c)、(e)分别为样品A和B的钻石供体光学图像。图(b)和(d)中浅蓝色与棕色区域分别对应硅基底和薄膜。同时标示了硅基底的晶体取向。

图3. (a) 转移薄膜（样品B，图2(d)）的放大光学图像。扫描电子显微镜图像聚焦于(b)金字塔状区域，包括(d)金字塔内部和(f)外部的近景视图。对应位置的原子力显微镜扫描图分别为(c)、(e)和(g)，其高度范围分别为[−200 nm, 50 nm]、[−60 nm, 60 nm]和[−5 nm, 5 nm]。

图4. (a) 转移薄膜的放大光学图像（样品B，图2(e)）。(b) 多孔表面提取边缘的SEM图像（样品B）；(c) 凸点机械轮廓（样品A）；(d) 假设机制示意图：(1) 石墨状层形成，(2) 微裂纹萌生， (3) 氢扩散与加压，(4) 多孔层形成，(5–6) 向硅衬底压痕。

来源：DT半导体

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