[发明专利]一种单晶钻石薄膜的制备方法

说明书

本申请提供一种单晶钻石薄膜的制备方法，包括以下步骤：获取钻石衬底和异质衬底；对钻石衬底的表面进行He离子注入，使注入的离子在钻石衬底相应的深度下聚集形成缺陷层，将钻石衬底中缺陷层之上的钻石薄膜作为同质外延的衬底；采用同质外延在钻石薄膜上生长一层单晶钻石薄膜；将单晶钻石薄膜与异质衬底键合，形成键合结构；对键合结构进行湿法腐蚀或电化学腐蚀，将缺陷层去除，使钻石薄膜转移至异质衬底表面；若对键合结构进行电化学腐蚀，则在将外延后的钻石薄膜与异质衬底键合步骤之前，对进行同质外延后的钻石衬底进行高温退火，使缺陷层发生石墨化，形成石墨化的缺陷层；其中，He离子的注入能量和注入剂量根据溶解缺陷层的方法分梯度设定。

技术领域

本申请涉及片上功能材料异质集成技术领域，特别涉及一种单晶钻石薄膜的制备方法。

背景技术

单晶钻石实现先进集成光子学元件的一种重要材料。传统的片上集成光子学建立在SOI平台上，由于Si材料的只有1.1eV，因此硅光子器件的波长通常在近红外波段，使集成光子学的应用扩展受到限制。钻石晶体的禁带宽度为5.47eV，光学传输出窗口从可见光至红外波段；钻石的莫氏硬度为10，特殊的晶体结构和键能也使其化学性质相当稳定，是极端条件下的一种理想材料；单晶钻石的热导率2000W/mK，适合发展超高功率的光学器件；其杨氏模量为1220Gpa，能提高微谐振器的机械共振频率，在光机械耦合领域和物理传感上有重要应用；单晶钻石的折射率相对较高(2.41)，以此为基础的波导结构能有效传输光波，同时其非线性效应比较强烈，具有发展非线性光学的前景。除以上性质以外，在钻石薄膜上还可以实现诸多色心，包括氮空位色心(NV)，硅空位色心(SiV)，锗空位色心(GeV)，锡空位色心(SnV)等，是理想的固态单光子源和量子自旋比特。

然而要高效地利用单晶钻石的这些优秀的电子学、光子学性能，需要将其制备成高质量的纳、微米级厚度的单晶钻石薄膜。传统的在异质衬底上实现单晶薄膜依赖异质外延过程，但是晶格常数失配造成生长的薄膜缺陷多，单晶质量不高，对于器件的性能带来负面影响，无法满足上述应用的需求。

发明内容

本申请要解决是现有技术中钻石薄膜单晶质量不高的技术问题。

为解决上述技术问题，本申请公开了一种单晶钻石薄膜的制备方法，至少包括以下步骤：

获取钻石衬底和异质衬底；

对所述钻石衬底的表面进行He离子注入，使注入的离子在所述钻石衬底相应的深度下聚集形成缺陷层，将所述钻石衬底中缺陷层之上的钻石薄膜作为同质外延的衬底；

采用同质外延在所述钻石薄膜上生长一层单晶钻石薄膜；

将所述单晶钻石薄膜与所述异质衬底键合，形成键合结构；

对所述键合结构进行湿法腐蚀或电化学腐蚀，将所述缺陷层去除，使所述单晶钻石薄膜转移至所述异质衬底表面；若对所述键合结构进行电化学腐蚀，则在所述将所述单晶钻石薄膜与所述异质衬底键合步骤之前，对进行同质外延后的钻石衬底进行高温退火，使所述缺陷层发生石墨化，形成石墨化的缺陷层；

对转移后的单晶钻石薄膜进行表面处理，全部去除或部分去除钻石薄膜损伤层；所述钻石薄膜损伤层为所述钻石衬底上因离子注入而引入的损伤区域。

其中，He离子注入的注入能量和注入剂量根据溶解所述缺陷层的方法分梯度设定。

进一步地，所述将所述外延后的钻石薄膜与所述异质衬底键合，包括：

在所述外延后的钻石薄膜表面形成第一键合介质层；

在所述异质衬底表面形成第二键合介质层；

将所述第一键合介质层与所述第二键合介质层键合。