近日，金刚石材料与器件团队在Si上异质合成金刚石的界面调控方面取得进展，相关成果以“Interface Modulation for the Heterointegration of Diamond on Si”为题发表在国际知名期刊《Advanced Science》上。论文第一作者为我院李星副教授、研究生万丽及林超男助理研究员，通讯作者为我院李顺方教授、程少博教授和单崇新教授。

随着微电子产业器件集成密度的增加和特征尺寸的减小，散热问题已成限制器件性能的主要因素之一。金刚石具有极高的导热率，其与半导体材料的异质集成将有效缓解集成电路中器件的散热问题。微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）可用于制备大尺寸、高质量的金刚石，同时也是一种有效的异质键合方法。在金刚石的异质外延过程中，其与半导体材料的界面结构将直接影响界面的热输运特性，因此探索界面的形成机制及调控策略对热管理材料的设计至关重要。金刚石在Si上异质外延过程中的会分别呈现无定形碳结构、多晶b-SiC纳米晶粒及外延b-SiC薄膜等不同的界面结构。但目前关于不同界面结构的形成机制仍存在争议，并且关于界面结构的有效调控策略仍不明晰。

针对以上问题，本课题组结合电子显微学技术，通过对MPCVD在硅衬底上沉积不同生长阶段的产物的形貌及结构分析，厘清了生长初期阶段所发生的界面反应：在微波等离子体的作用下，硅衬底中所溅射出的硅原子与无定形碳结构的纳米线反应，生成与硅衬底共格的b-SiC纳米岛，暴露出{111}面。同时，我们发现b-SiC的取向和形貌可显著影响后续金刚石的成膜质量和晶粒尺寸。通过控制MPCVD过程中的甲烷浓度，利用生长界面处b-SiC与非金刚石相的竞争性生长关系，我们实现了对界面层厚度及结构的有效调控。相关研究结果金刚石-半导体异质界面的构筑及界面热输运特性的优化提供了有力的实验依据。

A-C：硅上合成金刚石的形貌及界面结构。D：MPCVD过程中金刚石-硅的界面反应机制示意图。E-H：界面结构调控及界面竞争性生长关系示意图。

该工作得到了国家重点研究与发展计划、国家自然科学基金、河南省自然科学基金、河南省科技重大专项及河南省留学人员资助项目的支持。

文章链接：https://doi.org/10.1002/advs.202309126