近日，日本國立物質材料研究所廖梅勇主席研究員團隊的AMR述評文章“Low-Energy Dissipation Diamond MEMS”在線發(fā)表。文章基于實驗室開發(fā)的“智能剪切”法所制備的器件，概述了實現(xiàn)超高品質因子單晶金剛石微機電系統(tǒng)的最新研究進展與策略。這些策略代表了推動金剛石MEMS諧振子性能提升與應用擴展的關鍵技術。

       關鍵詞：金剛石；MEMS；品質因子；共振特性；能量耗散

       1、文章內容簡介

       微機電系統(tǒng)（Micro-Electromechanical Systems, MEMS）因其高靈敏度、可批量生產、低功耗和易集成等優(yōu)勢，在過去三十年得到迅速發(fā)展。MEMS廣泛應用于各領域，從汽車安全中的加速度計和陀螺儀，到消費電子中的精密參考振蕩器，再到原子力顯微鏡探針和引力波探測傳感器。品質因子（Quality Factor, Q）是MEMS諧振子的基本參數(shù)，決定了器件的靈敏度、噪聲水平、能耗效率和穩(wěn)定性。盡管傳統(tǒng)半導體硅基MEMS由于其成熟的微電子技術，已經取得了卓越的進步，但其固有材料特性限制了靈敏度、穩(wěn)定性和可靠性，尤其是在極端條件下的應用。單晶金剛石（Single-Crystal Diamond, SCD）憑借其優(yōu)異的材料特性，例如極高的機械強度、卓越的電學性能、最高的熱導率和化學惰性，已成為制備高靈敏度和高可靠性MEMS的理想材料（圖1）。因此，金剛石MEMS表現(xiàn)出高品質因子、高可靠性、低熱機械力噪聲和長機械量子態(tài)相干時間，不僅能提升MEMS器件性能，還能擴展至量子領域。此外，SCD不存在晶界和其他碳相，是實現(xiàn)超低能量損耗（或超高品質因子）MEMS諧振子的最優(yōu)選擇。然而，SCD微加工非常困難，而且在異質襯底上進行SCD的外延生長仍然具有挑戰(zhàn)性。

圖1 高品質SCD M/NEMS的制備及應用

       在這篇述評中，我們概述了實現(xiàn)超高品質因子SCD MEMS的最新研究進展與策略，主要基于我們實驗室開發(fā)的“智能剪切”法所制備的器件。首先，我們介紹了金剛石MEMS的概念，包括結構設計、基本原理和應用。隨后詳細討論了金剛石MEMS諧振子中影響品質因子的能量損耗機制。我們主要提出了三種提升金剛石諧振子品質因子的策略（圖2），包括：①在離子注入襯底上生長高晶體質量的SCD外延層；②超高真空退火減少晶體缺陷，以及原子層級氧刻蝕消除缺陷層的缺陷工程；以及③通過將諧振器減薄至約100 nm厚度的應變工程。在“智能剪切”法中，約100 nm厚的缺陷層是主要的本征能量損耗來源。通過在缺陷層之上生長高晶體質量的金剛石外延層，并對缺陷層進行原子尺度的刻蝕，品質因子可以從幾千提高到超過一百萬（室溫下），這是所有半導體材料中最高的。SCD MEMS的高品質因子還得益于外延層的純度控制以及金剛石的超寬禁帶。通過對SCD MEMS進行納米尺度的應變工程，品質因子有望得到進一步增強。這些策略代表了推動金剛石MEMS諧振子性能提升與應用擴展的關鍵技術。

圖2 金剛石MEMS的能量耗散機制及品質因子增強策略

AMR：請問您選擇該領域的初心是？

作者團隊：

新一代半導體——金剛石，具有5.5 eV的超寬帶隙，被稱為終極半導體，是當前國際材料科學研究的前沿和熱點之一。單晶金剛石由于其無與倫比的材料特性，具有理論最高共振頻率和最高品質因子，確保了制備器件的靈敏度、可靠性和響應速度，成為克服傳統(tǒng)半導體基MEMS本征缺陷的理想材料。通過厘清金剛石MEMS的能量耗散機制，并探究納米尺度下NEMS諧振子的尺寸效應和應變工程，可以進一步增強其品質因子，實現(xiàn)超高品質因子、極低能量耗散的SCD NEMS諧振子，用于制備超高靈敏度和超高可靠性的NEMS傳感器件。因此，單晶金剛石MEMS/NEMS成為我們團隊的研究焦點。

AMR：您對該領域的發(fā)展有何愿景？

作者團隊：

納米尺度的納機電系統(tǒng)（Nano-Electromechanical Systems, NEMS）由于其更小的尺寸、更輕的質量和更低的功耗，能夠提供比微米級MEMS更高的集成度、靈敏度和探測率。然而，當器件尺寸進入納米尺度時，傳統(tǒng)半導體基NEMS會出現(xiàn)表面能量損耗高和熱穩(wěn)定性差等問題，限制其靈敏度和可靠性，給實際應用帶來難題。如硅，碳化硅以及III-V族氮化物半導體等都有天然固態(tài)氧化層，在進入納米尺度時，表面能耗占據主導，會極大地降低NEMS振子的品質因子。SCD由于具有最高機械強度和楊氏模量，無固態(tài)氧化層，能夠提供最高共振頻率和品質因子，從而能夠克服這些問題。這為開發(fā)面向高頻率、高精度和極端環(huán)境下應用的高靈敏度和高可靠性NEMS傳感器提供了重要基礎，結合金剛石中氮-空位色心的可控研究，高品質因子SCD NEMS諧振器件在量子傳感和5G通信等未來關鍵領域展現(xiàn)出巨大潛力和應用價值。

       作者團隊簡介

       陳果，中國地質大學（北京）材料科學與工程學院博士研究生，日本國立材料研究所（NIMS）訪學博士生。主要從事單晶金剛石MEMS/NEMS的制備及其高性能傳感器的開發(fā)。

       小泉 聡， 1993年在青山學院大學獲得電氣電子工程博士學位，現(xiàn)任日本國立材料研究所（NIMS）超寬禁帶半導體課題組組長，其研究領域主要是n型金剛石半導體材料生長。

       小出 康夫，1988年在名古屋大學獲得電子工程博士學位，現(xiàn)任日本國立材料研究所（NIMS）次世代半導體課題組組長，長期致力于寬禁帶半導體材料光-電器件的研究。

       廖梅勇，1996年、1999年分別獲得中國蘭州大學學士和碩士學位，2002年獲得中國科學院半導體研究所（香港城市大學COSDAF聯(lián)合培養(yǎng)）博士學位。2002年至2004年于京都大學擔任訪問副教授。2004年加入日本國立材料研究所（NIMS）擔任博士后研究員，并于2008年被聘為主任研究員。目前擔任NIMS主席研究員，主要研究方向包括半導體金剛石生長、MEMS以及半導體電子和光電子器件。