[发明专利]一种异质集成单晶钻石薄膜的制备方法

说明书

本发明涉及一种异质集成单晶钻石薄膜的制备方法，至少包括：提供一钻石衬底，对钻石衬底上表面进行离子注入，在预设深度处形成缺陷层，并将缺陷层之上的钻石衬底设为衬底薄层；于衬底薄层表面生长同质外延钻石薄膜层；于钻石薄膜层表面形成第一键合介质层；提供一异质衬底，于异质衬底上表面形成第二键合介质层；将第一键合介质层与第二键合介质层进行键合，形成键合结构；沿缺陷层剥离键合结构，形成异质结构；对异质结构的剥离面进行表面处理，去除残留的缺陷层及衬底薄层。本发明通过离子注入与键合工艺，将同质外延的单晶钻石薄膜集成于异质衬底上，得到大面积、高质量的钻石薄膜，为光子、量子传感器件应用提供一个先进的材料平台。

技术领域

本发明属于功能材料制备领域，特别涉及一种异质集成单晶钻石薄膜的制备方法。

背景技术

钻石是一种宽禁带半导体，禁带宽度在常温下达到5.47eV，并具有高折射率高热导率以及优异的机械及化学性能。单晶钻石的莫氏硬度为10，为已知现存自然界形成的最硬的材料，密度为3.52g/cm²，折射率为2.41。单晶钻石为面心立方结构，每个C原子都以sp³杂化与另外4个相邻C原子形成共价键，每4个C原子构成正四面体，因此宏观上的天然钻石往往呈正八面体。钻石中C-C键很强，没有自由电子，因此同时导致的钻石的高硬度及高化学稳定性，熔点在3815℃。但钻石相对较易被点燃，在纯氧中的燃点为800℃，空气中的燃点为1000℃。同时钻石还具有良好的生物亲和性。另一方面，钻石可以通过N的掺杂实现高电导率。因此钻石是用作光学，导热，电子器件的理想材料之一。

单晶钻石的独特之处在于它已被研究出500多种色心，波长覆盖从紫外至红外各个波段，许多色心的亮度足够用作单光子源，而一些色心(尤其是带负电的氮空位色心(NV-))呈现出非常理想的量子特性。而通常，在利用钻石的上述特性制作器件时，包括电子、光学及量子器件等，通常需要高质量的单晶钻石亚微米级薄膜材料。而同质外延生长的钻石薄膜由于生长基底是钻石体材料，将面临由于基底过厚而造成的加工难度大，薄膜和基底同质造成的光场锁模效果差等一系列问题。而基于异质衬底的外延生长，由于晶格失配与热匹配，导致生长的钻石薄膜缺陷多、晶体质量差，严重影响器件性能。

本发明针对现有技术的不足，提出了一种高质量的异质衬底集成单晶钻石薄膜的制备方法。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高质量的单晶钻石薄膜的制备方法并与异质衬底集成。这种技术可以突破传统方法极限，得到大面积、高质量的亚微米-微米厚度钻石薄膜，为光子、量子传感器件应用提供一个先进的材料平台。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种异质集成单晶钻石薄膜的制备方法，至少包括如下步骤：

提供一钻石衬底，对所述钻石衬底上表面进行离子注入，离子注入的能量以使注入离子到达所述钻石衬底内的预设深度，在预设深度处形成缺陷层，并将位于缺陷层之上的钻石衬底设为衬底薄层；

于所述衬底薄层表面生长同质外延单晶钻石薄膜层；

于所述单晶钻石薄膜层表面形成第二键合介质层；

提供一异质衬底，于所述异质衬底上表面形成第一键合介质层；

将所述钻石衬底覆盖有第一键合介质层的一面与所述异质衬底覆盖有第二键合介质层的一面进行键合，形成键合结构；

沿所述缺陷层剥离所述键合结构，去除所述钻石衬底，形成异质结构；

对所述异质结构的剥离面进行表面处理，去除残留的缺陷层及所述衬底薄层。

本发明还提供一种异质集成单晶钻石薄膜的制备方法，至少包括以下步骤：