[發明專利]一種單晶鉆石薄膜的制備方法

在審

• 申請號: 202010772092.0
• 申請日: 2020-08-04
• 公開（公告）號: CN111962148A
• 公開（公告）日: 2020-11-20
• 發明（設計）人: 歐欣;周李平;伊艾倫;游天桂
• 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: C30B25/20
• 分類號: C30B25/20;C30B25/18;C30B29/02;C30B33/06;C30B33/10;C30B33/02;C25F3/12;C30B29/64
• 代理公司: 廣州三環專利商標代理有限公司 44202
• 代理人: 郝傳鑫;賈允

本申請提供一種單晶鉆石薄膜的制備方法，包括以下步驟：獲取鉆石襯底和異質襯底；對鉆石襯底的表面進行He離子注入，使注入的離子在鉆石襯底相應的深度下聚集形成缺陷層，將鉆石襯底中缺陷層之上的鉆石薄膜作為同質外延的襯底；采用同質外延在鉆石薄膜上生長一層單晶鉆石薄膜；將單晶鉆石薄膜與異質襯底鍵合，形成鍵合結構；對鍵合結構進行濕法腐蝕或電化學腐蝕，將缺陷層去除，使鉆石薄膜轉移至異質襯底表面；若對鍵合結構進行電化學腐蝕，則在將外延后的鉆石薄膜與異質襯底鍵合步驟之前，對進行同質外延后的鉆石襯底進行高溫退火，使缺陷層發生石墨化，形成石墨化的缺陷層；其中，He離子的注入能量和注入劑量根據溶解缺陷層的方法分梯度設定。

技術領域

本申請涉及片上功能材料異質集成技術領域，特別涉及一種單晶鉆石薄膜的制備方法。

背景技術

單晶鉆石實現先進集成光子學元件的一種重要材料。傳統的片上集成光子學建立在SOI平臺上，由于Si材料的只有1.1eV，因此硅光子器件的波長通常在近紅外波段，使集成光子學的應用擴展受到限制。鉆石晶體的禁帶寬度為5.47eV，光學傳輸出窗口從可見光至紅外波段；鉆石的莫氏硬度為10，特殊的晶體結構和鍵能也使其化學性質相當穩定，是極端條件下的一種理想材料；單晶鉆石的熱導率2000W/mK，適合發展超高功率的光學器件；其楊氏模量為1220Gpa，能提高微諧振器的機械共振頻率，在光機械耦合領域和物理傳感上有重要應用；單晶鉆石的折射率相對較高(2.41)，以此為基礎的波導結構能有效傳輸光波，同時其非線性效應比較強烈，具有發展非線性光學的前景。除以上性質以外，在鉆石薄膜上還可以實現諸多色心，包括氮空位色心(NV)，硅空位色心(SiV)，鍺空位色心(GeV)，錫空位色心(SnV)等，是理想的固態單光子源和量子自旋比特。

然而要高效地利用單晶鉆石的這些優秀的電子學、光子學性能，需要將其制備成高質量的納、微米級厚度的單晶鉆石薄膜。傳統的在異質襯底上實現單晶薄膜依賴異質外延過程，但是晶格常數失配造成生長的薄膜缺陷多，單晶質量不高，對于器件的性能帶來負面影響，無法滿足上述應用的需求。

發明內容

本申請要解決是現有技術中鉆石薄膜單晶質量不高的技術問題。

為解決上述技術問題，本申請公開了一種單晶鉆石薄膜的制備方法，至少包括以下步驟：

獲取鉆石襯底和異質襯底；

對所述鉆石襯底的表面進行He離子注入，使注入的離子在所述鉆石襯底相應的深度下聚集形成缺陷層，將所述鉆石襯底中缺陷層之上的鉆石薄膜作為同質外延的襯底；

采用同質外延在所述鉆石薄膜上生長一層單晶鉆石薄膜；

將所述單晶鉆石薄膜與所述異質襯底鍵合，形成鍵合結構；

對所述鍵合結構進行濕法腐蝕或電化學腐蝕，將所述缺陷層去除，使所述單晶鉆石薄膜轉移至所述異質襯底表面；若對所述鍵合結構進行電化學腐蝕，則在所述將所述單晶鉆石薄膜與所述異質襯底鍵合步驟之前，對進行同質外延后的鉆石襯底進行高溫退火，使所述缺陷層發生石墨化，形成石墨化的缺陷層；

對轉移后的單晶鉆石薄膜進行表面處理，全部去除或部分去除鉆石薄膜損傷層；所述鉆石薄膜損傷層為所述鉆石襯底上因離子注入而引入的損傷區域。

其中，He離子注入的注入能量和注入劑量根據溶解所述缺陷層的方法分梯度設定。

進一步地，所述將所述外延后的鉆石薄膜與所述異質襯底鍵合，包括：

在所述外延后的鉆石薄膜表面形成第一鍵合介質層；

在所述異質襯底表面形成第二鍵合介質層；

將所述第一鍵合介質層與所述第二鍵合介質層鍵合。