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为解决金刚石器件因位错导致性能受限的问题，研究人员开展了沟槽几何结构对金刚石外延横向生长（ELO）影响的研究。发现三角形沟槽利于抑制边缘效应，优化参数后可减少位错密度，提升单晶金刚石生长质量，为相关器件发展提供支撑。
在半导体材料的璀璨星空中，单晶金刚石（SCD）凭借着众多优异特性，成为了电子器件领域一颗极具潜力的 “明日之星”。它拥有高达 3800 cm2·V?1·s?1的空穴载流子迁移率，极低的漏电流，以及高达 10 MV?cm?1的击穿电场强度 ，这些卓越性能让它在电子器件应用方面前景无限。近年来，在英寸级高质量 SCD 材料以及原型功率器件的研发上，科研人员取得了重大进展。
然而，就像美丽的珍珠上出现了瑕疵，位错的存在严重制约了金刚石器件的性能。位错作为一种结构缺陷，不仅会降低 SCD 的电子迁移率、热导率和机械强度，还会在高频和高功率应用场景中，成为电子器件的漏电通道，大幅降低器件的关态击穿电压。因此，如何有效抑制位错，成为了提升这些器件效率和稳定性的关键难题，这也促使科研人员不断探索新的方法和途径。
为了解决这一棘手问题，来自国内的研究人员开展了一项极具意义的研究。他们聚焦于沟槽几何结构对外延横向生长（ELO）的影响，试图通过优化沟槽结构，找到抑制位错、提升单晶金刚石生长质量的有效方法。最终，研究人员发现，合适宽度的三角形沟槽在抑制边缘效应和提供均匀温度分布方面表现出色。通过优化生长参数，在沟槽上方的合并区域实现了明显的台阶流模式，且无非外延缺陷。较高的横向生长速率使得合并区域的位错相互交叉并湮灭，有效降低了位错密度。此外，采用两步 ELO 工艺并结合互补三角形沟槽，能进一步降低位错密度，显著提升单晶金刚石的生长质量。这一研究成果对于推动金刚石在电子器件领域的广泛应用具有重要意义，相关论文发表在《Applied Surface Science》上。
研究人员在开展这项研究时，运用了几种关键技术方法。首先，采用激光切割技术在 (001) 取向的 CVD SCD 衬底上制备出具有不同几何形状（三角形、半圆形和正方形）的周期性沟槽。其次，利用微波等离子体增强化学气相沉积（MPCVD）技术进行单晶金刚石的外延横向生长实验 。在实验过程中，通过调整 CH4百分比来控制 (100) 面和 (110) 面方向的生长速率比（V100/V110） 。
结果与讨论
在 ELO 过程中，为了加速沟槽上方的合并，一个至关重要的参数是 (100) 面和 (110) 面方向的生长速率比（V100/V110） ，而这一比值可以通过调整 CH4百分比来实现。一般来说，生长速率较低的晶面会使表面积增大，而生长较快的晶面则会逐渐消失。因此，通过改变实验条件获得较大的 V100/V110，有利于加速 ELO 过程。研究发现，通过调整甲烷浓度，当甲烷百分比为 5% 时，可实现理想的 V110/V001 。经过 24 小时的生长，三角形沟槽上方出现了合适的合并情况，而半圆形和正方形沟槽则导致高度分布不均匀，并出现非外延缺陷。
结论
研究人员通过激光切割制备了三种具有半圆形、正方形和三角形横截面轮廓的周期性沟槽结构，用于研究金刚石的 ELO。通过调整甲烷浓度，找到了实现理想 V110/V001的条件。实验结果表明，三角形沟槽在促进金刚石外延横向生长方面具有独特优势，能够有效抑制位错，提升单晶金刚石的生长质量。两步 ELO 工艺结合互补三角形沟槽的方法，为进一步降低位错密度、提高单晶金刚石质量提供了新的思路和方法，这对于推动金刚石在电子器件领域的实际应用具有重要的理论和实践指导意义。该研究成果为解决金刚石器件面临的位错问题提供了切实可行的方案，有望加速金刚石在高性能电子器件中的广泛应用，推动相关领域的技术革新与发展。
