科技前沿 | 金刚石半导体在微电子和光电子器件应用中的全新技术方案

近期，香港城市大学深圳研究院纳米制造实验室主任陆洋教授带领课题组，首次顺利获得微纳米力学应用，创造性地将“应变工程”应用到微纳米尺度的金刚石，先后成功实现单晶金刚石纳米针的超大弹性弯曲应变（Science 2018）以及微加工金刚石微桥阵列的接近10%的超大均匀弹性拉伸应变(Science 2021)，并顺利获得理论计算和初步实验结果验证了顺利获得“弹性应变工程”深度调控金刚石禁带宽度和能带结构的可行性，为实现金刚石微电子和光电子器件给予了全新的一条技术路线和颠覆性解决方案，使金刚石技术的应用场景大幅增加，为金刚石半导体微纳制造赋能，成效卓著。

金刚石器件阵列拉伸示意图

（a）- （c）应变金刚石器件阵列，

（d）沿不同方向不同应变值下，金刚石禁带宽度变化的第一性原理预测

金刚石因为其超硬的物理特性，被冠以“最硬最锋利的工业牙齿”的美誉。航空航天、国防军工以及光伏与电子信息等领域里的各种高难度材料加工难题，在它面前都可以迎刃而解。除此之外，金刚石集宽禁带、高击穿场强、高热导率和高电子迁移率等优点于一身，还被业界公认为“终极半导体”，有专家们甚至表示“金刚石可能会是延续硅时代摩尔定律的明星材料。

在一次探索金刚石微纳力学的研发项目中，研究人员实验中突破性地发现，金刚石这种“最硬的” 材料当特征尺寸缩小到纳米尺度其不仅可以弯曲，甚至还可发生显著弹性变形，局部最大变形量达到接近9%。

在早前单晶金刚石纳米针中实现的超大弹性变形

于是，以这一发现为突破口，课题组开始持续深度钻研“应变金刚石”的半导体应用潜力及其在微纳尺度下“弹性应变工程”，并因此为行业开展带来新的启发。研究首次采用基于大尺寸单晶金刚石的微加工，在室温下沿 [100]、[101] 和 [111] 等不同晶体学方向对长度约1-2微米，宽度约 100-300 纳米的单晶金刚石微桥结构，进行原位力学加载，并在单轴拉伸载荷下实现了金刚石接近10%的均匀“弹性应变”，接近金刚石的理论弹性极限。与此同时，研究团队顺利获得理论模拟和原位电镜EELS实验进一步展示了顺利获得对微加工的金刚石进行‘深层弹性应变工程’（deep elastic strain engineering），减小其电子能带隙并有可能实现从间接带隙到直接带隙转变，带来研制新型电子器件的可能性，在光子学、电子学和量子信息技术方面的巨大应用潜力。

显然，顺利获得深度应变微加工金刚石，实现极大、可逆、均匀的弹性变形以及电子性能的调控，为新一代微电子科技开拓了新方向，但金刚石进入大规模的微电子产业应用现在仍然存在巨大挑战，仍然需要多领域、交叉学科的研究人员和产业专家共同努力才能持续推进，才能让其作为“碳基半导体”在有别于石墨烯和碳纳米管的另一条潜在赛道上实现我国半导体技术的“弯道超车”。凯发k8国际专注金刚石的研发生产与应用已有十余年，金刚石热沉片热导率达1000-2000W/m.k，晶圆级金刚石Ra<1nm，相关产品技术指标已达到世界领先水平。我们坚持持续的技术创新，共同努力让这种极具价值的尖端电子材料早日广泛应用于生产、生活等各个领域，以造福社会，造福人民。