研究前沿|氦离子注入实现金刚石能带调控

近日，来自香港城市大学、上海大学、格罗宁根大学和南方科技大学等校的研究团队在金刚石物理性能调控研究领域取得了重要进展。首次通过高温下氦离子注入工艺实现金刚石内含二维固态氦的大范围“深度弹性应变工程”，相关成果以《Creating two-dimensional solid helium via diamond lattice confinement》为题，发表在国际期刊《Nature Communications》上，这一成果为未来金刚石“第四代半导体”应用开辟了一条全新的道路。

金刚石凭借其具有超宽带隙（~5.5eV）、低介电常数、高载流子迁移率以及极高的击穿强度以及耐腐蚀性等优异的性能，有望成为下一代微电子和光电器件的理想材料，也被誉为电子材料的“珠穆拉玛峰”。但一直以来，由于金刚石固有的超高硬度和晶格的特性，使其掺杂极为困难。

近年来，香港城市大学领导的科研团队首次报道了在纳米尺度下金刚石可实现前所未有的接近9%的超大弯曲弹性应变，使得通过“弹性应变工程”调节金刚石电子特性的一种革命性的新策略。去年，香港城市大学陆洋教授与合作团队继续通过原位纳米力学方法，在通过精密微加工块体单晶金刚石上得到微阵列结构，并通过纯力学加载实现了接近10%的超大、均匀全局弹性应变，并且可扩展到器件阵列，这使得金刚石微电子器件的“深度弹性应变工程”成为可能，有望用于下一代微电子学、光子学和量子资讯技术。这一系列金刚石相关的工作展示了金刚石的宽禁带结构可以被调控和显著改变，以符合未来微电子和半导体发展的需求，更重要的是，这也启发了更多不同领域的学者对应变或者其他极端条件下对金刚石的功能性质进行可控调节的探索。

图文解析与研究内容：由于氦不溶于固体，注入的氦离子会自发析出为氦泡。研究团队通过控制氦离子注入工艺，成功在避免金刚石非晶化和石墨化的同时，在3 mm×2 mm面积的金刚石中引入了二维固态氦盘（见图1）。研究团队通过iDPC STEM解析了金刚石晶格约束下二维固态氦盘的晶体结构（见图2），这也是首次通过透射电镜观察氦原子结构。研究团队随后发现这些高压二维固态氦盘可以对金刚石晶格产生相当大的弹性应变（见图3a-d）。这种独特的“应变掺杂效应”同样能够显著地改变金刚石的电子特性，从而在未来基于金刚石的半导体电子学中获得独特的应用。离轴STEM-EELS 测量结果表明，由二维固态氦盘引起的压缩弹性应变能够使金刚石的带隙变窄多达 2.2 eV（见图 3e），这一发现也通过DFT计算进一步证实（见图3f）。 

图1 氦离子注入在金刚石晶格中产生二维固态氦盘

图2二维固态氦盘的iDPC STEM图像

图3 应变掺杂金刚石的应变分布、能带测量与第一性原理计算预测

通过可控引入材料缺陷的策略为引入并保留块体单晶金刚石中的较大弹性应变，实现“深度弹性应变工程”铺平了道路，上述离子注入工艺可以应用于现有的电子级金刚石大尺寸晶片，并适用于其他具有高弹性强度的共价键半导体。进一步采用在半导体制造中成熟的掩膜技术，将有效地控制二维固态氦盘的空间分布，以实现半导体平面工艺中的器件设计与集成，为未来金刚石“第四代半导体”应用开辟了一条全新的道路。

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