面向量子光子器件的单晶金刚石薄膜直接键合技术
量子物理
2026-03-19 v1 材料科学
应用物理
摘要
本工作解锁了利用单晶金刚石（SCD）独特材料性质构建纳米光子量子系统的制造路径。我们通过引入一种半导体兼容的工艺，对多枚高质量、超薄金刚石薄膜进行直接键合，以粘接基片为载体，从而实现对集成电路的并行纳米制造。核心在于一种新的金刚石表面准备方法，既避免了沸腾三酸混合物，又能制备出质量卓越的 20 微米厚单晶。这些片状材料并排键合至 100 毫米硅浆片上，实现了 (100) 取向金刚石的纪录级剪切强度为 45.1 MPa，超越了此前所有报道的键合尝试。证据表明，键合主要由范德华力主导，可能源于硅-OH 与 C-OH 表面终止键之间的质子化机制不匹配，而非来自共价键驱动的机制。尽管如此，异质结构在液体浸泡及标准纳米制造工序中仍保持稳定。由于该方法主要依赖表面洁净度和粗糙度，而非特定化学品配方，因此其适用性广泛，可跨越多种键合材料。这种将超薄 SCD 薄膜并行键合至大面积基片的能力，为构建支撑纳米光子量子技术、高功率电子器件、MEMS 及生物技术等高性能平台提供了可扩展的路径。
引用
@article{arxiv.2603.17140,
title = {Die to wafer direct bonding of (100) single-crystal diamond thin films for quantum optoelectronics},
author = {Dominic Lepage and Amin Yaghoobi and Heidi Tremblay and Dominique Drouin},
journal= {arXiv preprint arXiv:2603.17140},
year = {2026}
}