近年来，随着功率电子向更高电压、更高效率持续发展，传统半导体材料在损耗与可靠性上的瓶颈愈加突出。凭借超高击穿场强、高载流子迁移率和极低导热阻，金刚石被认为是未来功率器件的终极材料之一。特别是在沟槽型 MOSFET 结构中，器件性能高度依赖沟槽侧壁的晶向和界面质量，因此制备平整且高度晶向选择性的 {111} 侧壁成为构建金刚石反型沟道器件的关键。但受限于金刚石本身极高的硬度和化学稳定性，常规刻蚀技术难以实现高深宽比、晶向可控且表面平整的沟槽结构。
近期，日本产业技术综合研究所（AIST）联合金泽大学研究团队，基于一种利用 Ni 薄膜在水蒸气环境中进行热化学刻蚀的工艺，成功突破了金刚石沟槽侧壁平整度难题。团队系统研究了刻蚀温度与 {111} 侧壁形貌之间的关系，明确提出可通过温度调控显著减小沟槽侧壁的宏观台阶，实现接近原子级平整的晶面结构。相关成果以 “Formation of diamond trenches with flat {111} sidewalls via thermochemical etching by Ni films in water vapor ”为题发表在 《Applied Surface Science Advances》。

       1背景介绍
       为攻克高温刻蚀条件下侧壁易形成亚微米级宏观台阶的问题，研究团队选用 HPHT 单晶金刚石（100）衬底，并通过光刻与蒸镀方法制备规则几何尺寸的 Ni 薄膜，在湿氮环境下开展 910–1000°C 的温度梯度刻蚀实验。Ni 在高温水蒸气中形成 Ni/NiO 复合层，可与金刚石发生强选择性的热化学去除反应，从而在晶向上沿 {111} 面形成沟槽结构。研究表明，当刻蚀温度处于 940°C 及以上时，侧壁普遍出现大尺度宏观台阶；但当温度降低至 930°C 及以下，这些台阶完全消失，侧壁在 SEM 下呈现连贯平滑的 {111} 晶面。TEM 与 STEM 的进一步分析显示，在 930°C 条件下，各深度位置的侧壁均达到纳米尺度平整度，局部区域甚至实现仅数个原子台阶的原子级表面。
       为揭示温度降低带来侧壁平整度改善的机制，团队结合第一性原理计算和刻蚀动力学分析进行了系统论证。计算显示，低温条件下金刚石 {111} 表面的台阶原子比平台原子更容易被优先刻蚀，使表面倾向于自然“找平”；而随着刻蚀温度降低，整体刻蚀速率下降，Ni/NiO 薄膜在侧壁区域的接触时间显著增加，使侧壁经历更充分的晶向选择性“抛光”。两者共同作用，使 930°C 以下的刻蚀条件能够达到更接近理论饱和平整度的表面状态。
       虽然较低温度下沟槽底部出现更多 {111} 小晶面，但对中低压器件影响不大，仅在高压应用中可能涉及电场集中问题。总体来看，这项工作为制备高质量金刚石沟槽结构提供了关键工艺依据。通过实现金刚石 {111} 侧壁在纳米乃至原子级别的平整度，该工艺有望显著提升沟道质量与迁移率，降低沟道散射与损耗，为下一代超低损耗沟槽型金刚石 MOSFET 的发展奠定重要基础。