高品质单晶金刚石MEMS光学性能研究 - 新闻通知中关村天合宽禁带半导体技术创新联盟

文章亮点

日本国立物质材料研究所廖梅勇研究团队通过智能剥离（smart-cut）技术，成功制备出高质量的单晶金刚石微机电系统悬臂梁和薄片，并实现其在SiO₂/Si基底上的无损转移。通过拉曼、光致发光和阴极发光测试，研究团队有效消除了金刚石外延层光谱中来自基底的干扰，实现了对高纯度外延金刚石薄膜光学特性的精确表征。

研究背景

金刚石被誉为“终极材料”，具有极高的硬度、超宽禁带、高热导率和出色的光学透明性，是下一代高性能光电子器件、量子传感和微机电系统（MEMS）的理想材料。然而，在传统的钻石外延生长与表征过程中，由于样品仍附着在母体基底上，光谱信号常受到基底干扰，导致外延层的本征特性难以准确测量。这一问题严重制约了高品质单晶金刚石薄膜在光学和量子器件中的应用。

为解决这一问题，日本国立物质材料研究所廖梅勇研究团队引入智能剥离技术，通过选择性去除埋藏的石墨层，使单晶金刚石薄膜可无损从基底剥离并转移至异质基底上，从而彻底消除基底信号干扰。

研究内容

该研究采用碳离子注入辅助的智能剥离法制备单晶金刚石MEMS悬臂梁与薄片。样品经过高温氧气退火处理后，去除了注入造成的损伤层，确保结构完整。随后，通过显微探针将金刚石结构成功转移至SiO₂/Si基底上，实现100%转移率且无机械损伤。通过机械共振测试评估悬臂梁的Q值和结构完整性，并用拉曼光谱分析应力与晶体缺陷，验证基底干扰的消除，最后利用光致发光与阴极发光测试研究光学纯度与激子发射特性。实验对比了四种样品：未注入区域、离子注入区域、转移后的悬臂梁与薄片。通过系统光谱分析，验证智能剥离法在去除基底信号方面的有效性。

图1 实验流程图

研究成果

该研究通过智能剥离技术，创新性地解决了单晶金刚石薄膜光学表征中“基底信号干扰”这一难题，实现了高纯度外延金刚石薄膜的独立表征与性能验证。成功制备并转移了高品质单晶金刚石MEMS悬臂梁与薄片结构，在消除母体基底影响后，获得了清晰、稳定的拉曼和发光信号。

结果显示：拉曼光谱证明外延层晶体结构完整、应力均匀；光致发光测试未发现氮或其他缺陷中心相关峰，表明材料纯度极高；阴极发光分析揭示出约236 nm 的稳定激子发射，对应金刚石典型带隙（约5.2 eV），显示出优异的光学特性。

这些成果充分展示了该技术在提升单晶金刚石材料表征精度和推动高性能光电子及MEMS器件研发中的巨大潜力，为未来实现更高可靠性、更低损耗的金刚石器件提供了关键材料支撑。

相关成果以“Optical properties of single-crystal diamond MEMS: mitigating substrate interference”为题，发表在Functional Diamond期刊上。文章第一作者为博士生顾克云。

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引用格式：

Gu, K., Zhang, Z., Zhang, Z., Huang, J., Koide, Y., Koizumi, S., & Liao, M. (2025). Optical properties of single-crystal diamond MEMS: mitigating substrate interference. Functional Diamond, 5(1). https://doi.org/10.1080/26941112.2025.2570362

第六届亚太碳化硅及相关材料国际会议（APCSCRM 2025）将于2025年11月25日-27日在河南郑州盛大召开。会议将以"芯联新世界，智启源未来"为主题，聚焦宽禁带半导体全产业链创新，涵盖装备、材料、器件、封测、终端应用等关键技术环节，深入探讨其在电力电子、新能源、通信技术、智能交通等领域的产业化应用前景。

届时，日本国立材料研究所首席研究员廖梅勇将受邀出席第六届亚太碳化硅及相关材料国际会议（APCSCRM 2025），并以"先进金刚石电子和MEMS器件"为题带来精彩报告。

嘉宾介绍

Speaker Introduction

廖梅勇博士是日本NIMS的首席研究员。2002年获中国科学院半导体研究所博士学位（与香港城市大学半导体研究院联合）。主要研究方向为半导体金刚石、物理、光电器件、MEMS等。他是单晶金刚石MEMS的先驱，发明了世界上第一个金刚石n沟道MOSFET。廖博士主持了由日本科学促进会（JSPS）等资助的约20个国家项目。发表同行评议论文230余篇，被引用17000余次，h指数66。他是Nature, Nature Nanotech., Nature Comm., Adv. Mater., Nano Lett., IEEE EDL等期刊的审稿人。他是Functional Diamond （Taylor & Francis）的联合主编。

摘要

Abstract

金刚石具有特殊的物理性能，适用于极端电子和MEMS应用。然而，n沟道金刚石晶体管的发展一直很困难。此外，单晶金刚石（SCD） MEMS结构的制造一直受到其特殊硬度和异质外延SCD生长困难的限制。在这次演讲中，我们介绍了在我们实验室开发的金刚石CMOS技术，包括在相同的n型金刚石涂层上的n沟道和p沟道金刚石MOSFET。我们还推出了结合超高灵敏度和卓越可靠性的金刚石MEMS传感器。讨论了这些金刚石器件的基本原理和未来的研究方向。

会议信息

APCSCRM 2025 Information

一、会议名称/Conference

第六届亚太碳化硅及相关材料国际会议（APCSCRM 2025）

The 6th Asia-Pacific Conference on Silicon Carbide and Related Materials (APCSCRM 2025)

二、会议时间/Date

2025年11月25日——11月27日

November 25-27，2025

三、会议地点/Location

中国·河南省郑州市·中原国际会展中心-会议中心

Central China International Convention and Exhibition Centre (CCIEC)-Conference Center

四、会议官网/Website