AMR Account｜日本国立物质材料研究所廖梅勇主席研究员团队：低能耗金刚石MEMS品质因子增强机制及策略研究

近日，日本国立物质材料研究所廖梅勇主席研究员团队的AMR述评文章“Low-Energy Dissipation Diamond MEMS”在线发表。文章基于实验室开发的“智能剪切”法所制备的器件，概述了实现超高品质因子单晶金刚石微机电系统的最新研究进展与策略。这些策略代表了推动金刚石MEMS谐振子性能提升与应用扩展的关键技术。

关键词：金刚石；MEMS；品质因子；共振特性；能量耗散

Single-crystal diamond, with a ultra-wide bandgap energy, has shown exceptionally energy dissipation for microelectromechanical system (MEMS) devices with quality factor over 1 million at room temperatures, enabling the development of sensors and resonators with ultra-high sensitivity, stability as well as high reliability.

01 文章内容简介

微机电系统（Micro-Electromechanical Systems, MEMS）因其高灵敏度、可批量生产、低功耗和易集成等优势，在过去三十年得到迅速发展。MEMS广泛应用于各领域，从汽车安全中的加速度计和陀螺仪，到消费电子中的精密参考振荡器，再到原子力显微镜探针和引力波探测传感器。品质因子（Quality Factor, Q）是MEMS谐振子的基本参数，决定了器件的灵敏度、噪声水平、能耗效率和稳定性。尽管传统半导体硅基MEMS由于其成熟的微电子技术，已经取得了卓越的进步，但其固有材料特性限制了灵敏度、稳定性和可靠性，尤其是在极端条件下的应用。单晶金刚石（Single-Crystal Diamond, SCD）凭借其优异的材料特性，例如极高的机械强度、卓越的电学性能、最高的热导率和化学惰性，已成为制备高灵敏度和高可靠性MEMS的理想材料（图1）。因此，金刚石MEMS表现出高品质因子、高可靠性、低热机械力噪声和长机械量子态相干时间，不仅能提升MEMS器件性能，还能扩展至量子领域。此外，SCD不存在晶界和其他碳相，是实现超低能量损耗（或超高品质因子）MEMS谐振子的最优选择。然而，SCD微加工非常困难，而且在异质衬底上进行SCD的外延生长仍然具有挑战性。

图1 高品质SCD M/NEMS的制备及应用

在这篇述评中，我们概述了实现超高品质因子SCD MEMS的最新研究进展与策略，主要基于我们实验室开发的“智能剪切”法所制备的器件。首先，我们介绍了金刚石MEMS的概念，包括结构设计、基本原理和应用。随后详细讨论了金刚石MEMS谐振子中影响品质因子的能量损耗机制。我们主要提出了三种提升金刚石谐振子品质因子的策略（图2），包括：①在离子注入衬底上生长高晶体质量的SCD外延层；②超高真空退火减少晶体缺陷，以及原子层级氧刻蚀消除缺陷层的缺陷工程；以及③通过将谐振器减薄至约100 nm厚度的应变工程。在“智能剪切”法中，约100 nm厚的缺陷层是主要的本征能量损耗来源。通过在缺陷层之上生长高晶体质量的金刚石外延层，并对缺陷层进行原子尺度的刻蚀，品质因子可以从几千提高到超过一百万（室温下），这是所有半导体材料中最高的。SCD MEMS的高品质因子还得益于外延层的纯度控制以及金刚石的超宽禁带。通过对SCD MEMS进行纳米尺度的应变工程，品质因子有望得到进一步增强。这些策略代表了推动金刚石MEMS谐振子性能提升与应用扩展的关键技术。

图2 金刚石MEMS的能量耗散机制及品质因子增强策略

02 AMR：请问您选择该领域的初心是？

作者团队：

新一代半导体——金刚石，具有5.5 eV的超宽带隙，被称为终极半导体，是当前国际材料科学研究的前沿和热点之一。单晶金刚石由于其无与伦比的材料特性，具有理论最高共振频率和最高品质因子，确保了制备器件的灵敏度、可靠性和响应速度，成为克服传统半导体基MEMS本征缺陷的理想材料。通过厘清金刚石MEMS的能量耗散机制，并探究纳米尺度下NEMS谐振子的尺寸效应和应变工程，可以进一步增强其品质因子，实现超高品质因子、极低能量耗散的SCD NEMS谐振子，用于制备超高灵敏度和超高可靠性的NEMS传感器件。因此，单晶金刚石MEMS/NEMS成为我们团队的研究焦点。

03 AMR：您对该领域的发展有何愿景？

作者团队：

纳米尺度的纳机电系统（Nano-Electromechanical Systems, NEMS）由于其更小的尺寸、更轻的质量和更低的功耗，能够提供比微米级MEMS更高的集成度、灵敏度和探测率。然而，当器件尺寸进入纳米尺度时，传统半导体基NEMS会出现表面能量损耗高和热稳定性差等问题，限制其灵敏度和可靠性，给实际应用带来难题。如硅，碳化硅以及III-V族氮化物半导体等都有天然固态氧化层，在进入纳米尺度时，表面能耗占据主导，会极大地降低NEMS振子的品质因子。SCD由于具有最高机械强度和杨氏模量，无固态氧化层，能够提供最高共振频率和品质因子，从而能够克服这些问题。这为开发面向高频率、高精度和极端环境下应用的高灵敏度和高可靠性NEMS传感器提供了重要基础，结合金刚石中氮-空位色心的可控研究，高品质因子SCD NEMS谐振器件在量子传感和5G通信等未来关键领域展现出巨大潜力和应用价值。

作者团队简介

陈果，中国地质大学（北京）材料科学与工程学院博士研究生，日本国立材料研究所（NIMS）访学博士生。主要从事单晶金刚石MEMS/NEMS的制备及其高性能传感器的开发。

小泉 聡， 1993年在青山学院大学获得电气电子工程博士学位，现任日本国立材料研究所（NIMS）超宽禁带半导体课题组组长，其研究领域主要是n型金刚石半导体材料生长。

小出 康夫，1988年在名古屋大学获得电子工程博士学位，现任日本国立材料研究所（NIMS）次世代半导体课题组组长，长期致力于宽禁带半导体材料光-电器件的研究。

廖梅勇，1996年、1999年分别获得中国兰州大学学士和硕士学位，2002年获得中国科学院半导体研究所（香港城市大学COSDAF联合培养）博士学位。2002年至2004年于京都大学担任访问副教授。2004年加入日本国立材料研究所（NIMS）担任博士后研究员，并于2008年被聘为主任研究员。目前担任NIMS主席研究员，主要研究方向包括半导体金刚石生长、MEMS以及半导体电子和光电子器件。

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Low-Energy Dissipation Diamond MEMS

Guo Chen, Satoshi Koizumi, Yasuo Koide, and Meiyong Liao*

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.4c00139

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