[發明專利]一種異質集成單晶鉆石薄膜的制備方法

在審

• 申請號: 201910470048.1
• 申請日: 2019-05-31
• 公開（公告）號: CN110970363A
• 公開（公告）日: 2020-04-07
• 發明（設計）人: 歐欣;伊艾倫;武震宇
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: H01L21/78
• 分類號: H01L21/78;H01L21/762;H01L21/265
• 代理公司: 上海光華專利事務所(普通合伙) 31219
• 代理人: 余明偉

本發明涉及一種異質集成單晶鉆石薄膜的制備方法，至少包括：提供一鉆石襯底，對鉆石襯底上表面進行離子注入，在預設深度處形成缺陷層，并將缺陷層之上的鉆石襯底設為襯底薄層；于襯底薄層表面生長同質外延鉆石薄膜層；于鉆石薄膜層表面形成第一鍵合介質層；提供一異質襯底，于異質襯底上表面形成第二鍵合介質層；將第一鍵合介質層與第二鍵合介質層進行鍵合，形成鍵合結構；沿缺陷層剝離鍵合結構，形成異質結構；對異質結構的剝離面進行表面處理，去除殘留的缺陷層及襯底薄層。本發明通過離子注入與鍵合工藝，將同質外延的單晶鉆石薄膜集成于異質襯底上，得到大面積、高質量的鉆石薄膜，為光子、量子傳感器件應用提供一個先進的材料平臺。

技術領域

本發明屬于功能材料制備領域，特別涉及一種異質集成單晶鉆石薄膜的制備方法。

背景技術

鉆石是一種寬禁帶半導體，禁帶寬度在常溫下達到5.47eV，并具有高折射率高熱導率以及優異的機械及化學性能。單晶鉆石的莫氏硬度為10，為已知現存自然界形成的最硬的材料，密度為3.52g/cm²，折射率為2.41。單晶鉆石為面心立方結構，每個C原子都以sp³雜化與另外4個相鄰C原子形成共價鍵，每4個C原子構成正四面體，因此宏觀上的天然鉆石往往呈正八面體。鉆石中C-C鍵很強，沒有自由電子，因此同時導致的鉆石的高硬度及高化學穩定性，熔點在3815℃。但鉆石相對較易被點燃，在純氧中的燃點為800℃，空氣中的燃點為1000℃。同時鉆石還具有良好的生物親和性。另一方面，鉆石可以通過N的摻雜實現高電導率。因此鉆石是用作光學，導熱，電子器件的理想材料之一。

單晶鉆石的獨特之處在于它已被研究出500多種色心，波長覆蓋從紫外至紅外各個波段，許多色心的亮度足夠用作單光子源，而一些色心(尤其是帶負電的氮空位色心(NV-))呈現出非常理想的量子特性。而通常，在利用鉆石的上述特性制作器件時，包括電子、光學及量子器件等，通常需要高質量的單晶鉆石亞微米級薄膜材料。而同質外延生長的鉆石薄膜由于生長基底是鉆石體材料，將面臨由于基底過厚而造成的加工難度大，薄膜和基底同質造成的光場鎖模效果差等一系列問題。而基于異質襯底的外延生長，由于晶格失配與熱匹配，導致生長的鉆石薄膜缺陷多、晶體質量差，嚴重影響器件性能。

本發明針對現有技術的不足，提出了一種高質量的異質襯底集成單晶鉆石薄膜的制備方法。

發明內容

鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種高質量的單晶鉆石薄膜的制備方法并與異質襯底集成。這種技術可以突破傳統方法極限，得到大面積、高質量的亞微米-微米厚度鉆石薄膜，為光子、量子傳感器件應用提供一個先進的材料平臺。

為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種異質集成單晶鉆石薄膜的制備方法，至少包括如下步驟：

提供一鉆石襯底，對所述鉆石襯底上表面進行離子注入，離子注入的能量以使注入離子到達所述鉆石襯底內的預設深度，在預設深度處形成缺陷層，并將位于缺陷層之上的鉆石襯底設為襯底薄層；

于所述襯底薄層表面生長同質外延單晶鉆石薄膜層；

于所述單晶鉆石薄膜層表面形成第二鍵合介質層；

提供一異質襯底，于所述異質襯底上表面形成第一鍵合介質層；

將所述鉆石襯底覆蓋有第一鍵合介質層的一面與所述異質襯底覆蓋有第二鍵合介質層的一面進行鍵合，形成鍵合結構；

沿所述缺陷層剝離所述鍵合結構，去除所述鉆石襯底，形成異質結構；

對所述異質結構的剝離面進行表面處理，去除殘留的缺陷層及所述襯底薄層。

本發明還提供一種異質集成單晶鉆石薄膜的制備方法，至少包括以下步驟：