研究背景

在“雙碳”目標(biāo)與新一代信息技術(shù)自主可控的國(guó)家戰(zhàn)略驅(qū)動(dòng)下，高功率、高頻率電子器件對(duì)超寬禁帶半導(dǎo)體材料提出迫切需求。金剛石憑借超高擊穿場(chǎng)強(qiáng)（5–10 MV/cm）、優(yōu)異熱導(dǎo)率（~2000 W/m·K）和高載流子遷移率，被視為下一代高功率電子器件的理想候選材料，其發(fā)展已被納入多個(gè)國(guó)家研發(fā)計(jì)劃和半導(dǎo)體前沿布局。然而金剛石器件在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨嚴(yán)峻可靠性挑戰(zhàn)——在極端電場(chǎng)下易發(fā)生電擊穿失效，嚴(yán)重制約其工程化與產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

近期研究揭示，金剛石的擊穿失效具有顯著的晶向依賴(lài)性：（111）晶面在電-熱耦合作用下優(yōu)先發(fā)生晶格畸變與非晶化，而（100）和（110）晶面則表現(xiàn)出更高穩(wěn)定性。這一發(fā)現(xiàn)凸顯了材料本征各向異性與器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之間的深層矛盾。當(dāng)前技術(shù)瓶頸在于缺乏對(duì)電擊穿過(guò)程中應(yīng)力演化、相變路徑與熱失控機(jī)制的原位、原子級(jí)理解，難以指導(dǎo)晶向選擇、界面工程與熱管理策略。因此需融合原位表征、多尺度模擬與器件工藝，建立“晶體取向-電熱穩(wěn)定性-失效機(jī)制”關(guān)聯(lián)模型，為高可靠金剛石功率器件的定向設(shè)計(jì)與國(guó)產(chǎn)化替代提供戰(zhàn)略支撐。

針對(duì)上述問(wèn)題，由中國(guó)科學(xué)院大學(xué)組成的團(tuán)隊(duì)利用澤攸科技原位TEM進(jìn)行了系統(tǒng)研究，他們首次通過(guò)原位電擊穿實(shí)驗(yàn)結(jié)合模擬，揭示了鉆石沿（111）晶面發(fā)生應(yīng)力誘導(dǎo)非晶化的失效機(jī)制，為高性能金剛石器件設(shè)計(jì)提供了關(guān)鍵見(jiàn)解。

標(biāo)題：Failure mechanism of diamond under electrical breakdown

期刊：Cell Reports Physical Science

網(wǎng)址：https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2025.102843

原位電擊穿實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建與實(shí)時(shí)觀測(cè)

研究團(tuán)隊(duì)基于澤攸科技提供的原位雙傾探針桿，在球差校正掃描透射電鏡中構(gòu)建了可控高電場(chǎng)加載系統(tǒng)。通過(guò)聚焦離子束在單晶金剛石中刻蝕溝槽并沉積Pt導(dǎo)電通路，精確限定擊穿區(qū)域；隨后利用該樣品桿精準(zhǔn)操控鎢探針與金剛石表面接觸，并施加0–20 V階梯偏壓，成功實(shí)現(xiàn)了電擊穿過(guò)程的實(shí)時(shí)、原位觀測(cè)。該平臺(tái)不僅避免了機(jī)械壓力對(duì)晶格的干擾，還實(shí)現(xiàn)了納秒級(jí)電流響應(yīng)與結(jié)構(gòu)演變的同步捕捉，為揭示金剛石失效機(jī)制提供了關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

圖1 金剛石擊穿實(shí)驗(yàn)的樣品制備與原位實(shí)驗(yàn)流程

圖2 (100)和(110)晶面金剛石襯底的原位擊穿實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（111）晶面優(yōu)先失效的應(yīng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)制

通過(guò)幾何相位分析對(duì)擊穿前后區(qū)域的應(yīng)力分布進(jìn)行定量解析，研究發(fā)現(xiàn)：在（111）取向金剛石中，平行于晶面的應(yīng)力（σ_yy,Relative）首先引發(fā)晶面間距偏移，隨后垂直方向應(yīng)力（σ_xx,Relative）進(jìn)一步破壞面內(nèi)周期性，最終導(dǎo)致晶格崩塌并轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷?。澤攸科技原位雙傾探針桿在此過(guò)程中確保了電場(chǎng)施加的穩(wěn)定性與探針定位的納米級(jí)精度，使得高分辨TEM圖像能夠清晰捕捉從晶格畸變到非晶化演化的全過(guò)程，首次從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了電-熱耦合下（111）面的結(jié)構(gòu)脆弱性源于各向異性應(yīng)力演化。

圖3 擊穿前后探針的成分與結(jié)構(gòu)表征

晶向依賴(lài)的熱穩(wěn)定性差異與非石墨化轉(zhuǎn)變路徑

對(duì)（100）、（110）和（111）三種晶面的對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，擊穿后僅（111）區(qū)域顯著劣化，而（100）和（110）面在更高場(chǎng)強(qiáng)下仍保持結(jié)構(gòu)完整性。電子能量損失譜（EELS）顯示，所有擊穿產(chǎn)物的π*/σ強(qiáng)度比均低于1:3，證實(shí)金剛石*直接轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷级鞘韶萍继峁┑母叻€(wěn)定性電學(xué)-力學(xué)耦合環(huán)境，使得研究團(tuán)隊(duì)能排除雜質(zhì)與缺陷干擾，明確將失效行為歸因于本征晶向效應(yīng)，顛覆了傳統(tǒng)認(rèn)為高溫下金剛石必然石墨化的認(rèn)知。

圖4 (111)晶面金剛石襯底的原位擊穿實(shí)驗(yàn)結(jié)果

分子動(dòng)力學(xué)模擬驗(yàn)證與熱失控機(jī)制統(tǒng)一

結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，團(tuán)隊(duì)開(kāi)展分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬，發(fā)現(xiàn)（111）面在2400 K以上即發(fā)生層狀剝離，而（110）和（100）面可耐受至3800 K。模擬揭示的各向異性熱失穩(wěn)路徑與原位實(shí)驗(yàn)觀測(cè)高度一致——瞬時(shí)焦耳熱引發(fā)熱失控，但電場(chǎng)誘導(dǎo)的局部升溫與晶格取向共同決定了失效起始位置。該“實(shí)驗(yàn)-模擬”閉環(huán)驗(yàn)證不僅闡明了金剛石電擊穿的本質(zhì)是應(yīng)力-熱協(xié)同驅(qū)動(dòng)的非晶化，也為高可靠性器件的晶向選擇（如優(yōu)先采用（110）取向）提供了理論依據(jù)。

圖5 金剛石(100)、(110)和(111)暴露表面的熱穩(wěn)定性分子動(dòng)力學(xué)模擬