金刚石因其超高击穿场强、高载流子迁移率和超高导热率，被视为下一代高压功率电子器件的理想材料。然而，受限于大尺寸单晶衬底难以量产、成本高昂，其器件应用仍在探索阶段。

       与硅（Si）进行异质集成，是当前最具潜力的路线之一，因为：

       可直接与 Si-LSI（大规模集成电路）结合，实现“硅电子 + 金刚石功率器件”同片集成；

       有望显著降低金刚石器件的成本；

       对量子技术也同样重要，如基于 NV 中心的量子传感。

       但问题在于：
       金刚石与 Si 的界面常出现缺陷、应力层（如 β-SiC）、失配位错等，会导致界面电阻升高，从而限制器件性能。因此，研究者希望通过调控掺杂（如 B 掺杂），改善金刚石/Si 界面电学性能。

       在这项研究中，日本电气通信大学团队系统地研究了在 Si(001) 衬底上外延生长的 B 掺杂单晶金刚石薄膜的界面结构与界面电阻之间的关联关系，厘清了不同生长条件下界面层的结构演化，并定量揭示其对电学行为的影响。相关论文以 “Boron-doped single crystal diamond/Si heterostructures: Interface structure and electrical resistance characteristics” 为题，发表在 Diamond & Related Materials 期刊上。

       研究采用微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）制备 B 掺杂金刚石薄膜，并通过预处理使 Si(001) 表面达到（2×1）重构，以确保单晶外延的可行性。原位电子衍射显示薄膜具备明显的单晶特征，拉曼光谱中 1332 cm⁻¹ 的金刚石峰清晰可辨，而随着硼含量升高，500–600 cm⁻¹ 区域出现的特征峰表明 B–C 结合态的出现和浓度变化情况。与此同时，随硼浓度增加，表面粗糙度有所提升，但透射电镜显示薄膜主体仍保持良好的单晶结构。

       在界面结构方面，高分辨 TEM 和 EELS 揭示了金刚石/Si 界面的典型分层特征。界面处普遍存在 β-SiC 层、非晶碳层及伴生缺陷区，其中 β-SiC 的生成与生长温度密切相关。在较高温度下，β-SiC 层更加稳定且厚度可达数纳米，其晶向与 Si 基底保持一致，有助于在结构上缓冲晶格失配；而在较低温度下，非晶碳产率升高，界面区域无序程度明显增强。EELS 光谱进一步证实界面处 C–Si 键的存在以及不同结构碳的比例变化，说明界面化学组成对结构完整性具有决定性影响。

       在电学性能方面，研究通过 J–V 测试对异质结构的界面电阻进行了系统分析。所有样品均呈现明显整流特性，等效电路拟合结果显示，界面串联电阻（Rs）随界面层结构变化显著波动。总体来看：

       界面 β-SiC 含量越高，Rs 越低；

       富含非晶碳层时，Rs 显著升高；

       薄膜自身因硼掺杂而产生的电阻变化相对次要，界面结构才是决定性因素。

       此外，研究对比不同厚度样品后发现，在薄膜较薄时，界面电阻在总 Rs 中占比更高，即界面的影响在微薄膜体系中更为突出。因此，实现理想的低界面电阻，需要尽可能促进 β-SiC 的有序生成并抑制非晶碳的形成。

       总体而言，这项工作从实验角度系统揭示了 B 掺杂单晶金刚石/Si 异质结构的界面行为，明确了界面电阻的结构来源和影响规律。研究不仅为优化金刚石异质外延工艺提供了直接指导，也为低成本金刚石电子器件的发展奠定了重要基础，特别是在未来金刚石与硅基集成的功率电子和传感器技术中具有重要参考价值。

图文导读

图1. 制造流程概览：(a) 硅衬底上的金刚石成核；(b) 随后生长出分离的单晶金刚石。

图2. 采用探针接触法对硅衬底上孤立单晶金刚石进行电学表征的概述，以及探针与金刚石的顶视光学显微镜图像。

图3. (a) 生长于硅衬底上的未掺杂孤立单晶金刚石的扫描电子显微镜图像，(b) 同一金刚石(001)晶面的背散射电子衍射图像，(c) 硅衬底与单晶金刚石之间晶体取向关系的示意图。

图4. 生长于硅衬底上的硼掺杂孤立单晶金刚石的扫描电子显微镜图像，其硼碳比分别为60、100和500 ppm。