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                    鄭州華晶金剛石股份有限公司

                    推動應變金剛石的半導體應用, 助力國家的新一代半導體事業發展

                    關鍵詞 應變金剛石的半導體應用|2022-09-19 08:43:55|來源 Carbontech Magazine
                    摘要 半導體材料的制備與應用開拓一直是國家高度重視的關鍵技術領域,是軍事國防科學中必不可少的材料之一。金剛石作為第四代半導體材料在國防、5G通訊、能源互聯網、新能源汽車、量子技術等領域具...

                           半導體材料的制備與應用開拓一直是國家高度重視的關鍵技術領域,是軍事國防科學中必不可少的材料之一。金剛石作為第四代半導體材料在國防、5G 通訊、能源互聯網、新能源汽車、量子技術等領域具有戰略性地位。例如,8月12日,美國對第四代半導體等技術實施新出口管制這一舉動,充分反應了金剛石作為新一代半導體材料應用的巨大潛力。

                           近年,關于金剛石的研發進展頻繁突破,涉及大尺寸金剛石晶圓制備、金剛石材料的 n 型摻雜以及金剛石器件研究等多個關鍵環節,這表明金剛石作為新一代寬禁帶半導體材料的現實應用也即將迎來曙光。本期《Carbontech Magazine》特邀香港城市大學機械工程學系陸洋教授進行專訪,從納米力學與應變工程角度談談如何助力中國金剛石半導體產業發展。

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                           【人物檔案】

                           陸洋,香港城市大學機械工程學系正教授。主要從事微納米力學與原位力電研究,特別是對于半導體材料的力學行為及其尺度效應的探索,促進其在微機械/機電系統及先進制造等實際應用。陸洋與合作者在早前的研究中發現了超細金屬納米線的“冷焊”現象以及納米尺度下硅和金剛石的“超大彈性”,有望應用于創新微電子以及量子器件。他以第一或通訊作者在 Science、Nature Nanotechnology、 Science Advances、Nature Communications 等學術刊物發表文章 100 余篇,并擔任 Materials Today、Acta Mechanica Sinica、中國科學:技術科學等學術期刊的編輯。曾獲得香港城市大學2019 年度“杰出研究獎(青年學者)”和2017年度“校長獎”,以及首批國家自然科學基金優秀青年科學基金(港澳)以及香港研究資助局“研資局研究學者”(RFS)項目。2022年當選香港青年科學院(YASHK)院士。

                           寬禁帶半導體應用廣,需求極大

                           半導體是指常溫下導電性能介于導體與絕緣體之間的材料,廣泛應用于集成電路、消費電子、通信系統、光伏發電、照明、大功率電源轉換等領域。在日常生活中,大部分的電子產品的核心單元都和半導體有著極為密切的關聯。因此,無論從科技或是經濟發展的角度來看,半導體的重要性都是不言而喻的。陸洋教授表示,“半導體對國家的發展十分重要。目前,我國每年進口芯片所花的錢早已經超過了石油。同時,由于西方的技術封鎖,導致我們國家想發展自己的硅基半導體產業特別艱難,所以發展新型半導體也是一條重要且迫切的路線?!绷硗?,隨著對寬帶隙半導體需求的增加,5G 甚至 6G 網絡的到來,以及對大功率高頻電氣設備的需求,傳統的硅基半導體技術由于性能有限而面臨巨大的挑戰。

                           其中,金剛石材料憑借其具有超寬帶隙(5.5 eV)、低介電常數(5.7)、高載流子遷移率,特別是空穴遷移率以及極高的耐腐蝕性等優異的性能,成為下一代微電子和光子器件的理想材料,也被譽為“終極半導體材料”。相比于 Si 和 GaAs 等半導體材料,利用金剛石制造的新一代電力電子器件具有更小、更快、更可靠和更高效的優勢,在高溫、高頻、高功率以及耐壓領域具有極大的應用潛力,在電力電子設備、新能源汽車、5G 基站等系統中具有廣泛的應用前景。該路線最突出的優勢主要體現在以下兩個方面:

                           與現有制硅技術和產業路線可兼容

                           現代信息時代的科技原動力是建立在“摩爾定律”的 基礎上,也就是硅基時代。那么或許延續或重塑未來科技輝煌的就是鉆石時代?!敖饎偸c硅一樣,有機會被制成大塊晶體?!标懡淌谡f到,“行業內目前已可以研制出3英寸以上的高質量金剛石單晶晶圓。同時,金剛石體系又能和硅的半導體工業體系相兼容,即硅的制造技術與設備亦適用于金剛石材料。目前硅的投入已能達到一條生產線產出幾十億塊單晶的產量,若金剛石制備工藝與技術能夠發展成熟,就可以充分利用成熟的硅技術體系來實現大的產量?!?/p>

                           夠穩定,散熱佳,金剛石半導體優勢應用多,有望用于量子資訊技術

                           金剛石因為擁有超高的導熱性、優異的電學和光學特性,科學家常思考把它作為半導體材料應用于光電工程中的可能性,這也助推了金剛石在量子信息技術領域的發展。由于金剛石具有超寬的禁帶寬度,使其位于禁帶中深能級缺陷發光不被吸收而發射出來,形成一系列缺陷誘導的顏色中心,即所謂的“色心”。特別是金剛石中與空位相關的缺陷,如氮空位(NV)或硅空位(SiV)中心。這些色心具有類似“單原子”的分立能級,非常適合用于量子信 息處理和量子計算的載體。陸教授說到,“金剛石中有一塊色心,能應用于量子計算機中。首先,金剛石本身結構穩固,當它制成量子計算機時,有強穩固性。其次,傳統的量子計算機需在液氮環境中使用,但金剛石的散熱特別好,制成量子計算機后就能放在常溫中使用,十分有利于量子計算機的普及?!?/p>

                           作為相對“冷門”的碳基半導體,金剛石極具潛力!

                           目前市面上有多種半導體,除常見的硅基材料,科學家亦致力于研究碳基半導體。碳基半導體也被認為是后摩爾時代的顛覆性技術,是我國在半導體領域突破點之一!相較于石墨烯、碳納米管等碳基半導體,金剛石半導體在高功率下較穩定、散熱佳,具有許多優勢應用領域。

                           陸教授認為,“碳納米管、石墨烯都屬于熱門的碳基 半導體材料,已被廣泛研究。而金剛石雖然屬于相對冷門的碳基半導體材料,但它在未來被應用于集成電路的潛力是巨大的。碳納米管、石墨烯做展示性器件相對容易,但是若要規?;a,還面臨很多挑戰。例如碳納米管天生有金屬性、半導體性這兩種特性,較難提純。在批量生產時,所得出的半導體性碳納米管里面?;煊薪饘傩怨?。至于石墨烯若要制成器件,即高質量的晶圓,其質量還很難達到集成電路的要求。此外,石墨烯本身不是半導體,需做一些調控才能使用?!标懡淌谘a充說到,“條條大路通羅馬,石墨烯、碳納米管和金剛石都有各自的優點和不足。但相信,若金剛石半導體能發展起來,將可以成為碳基半導體中一條非常有潛力的方案,值得投入?!?/p>

                           產學研道路依然困難重重

                           然而,金剛石在實際應用于下一代電子產品中也面臨著各種挑戰。雖然人們已經在金剛石高壓開關二極管的實驗建模和制備、大功率高頻場效應管、高溫下工作的器件以及 MEMS/NEMS 做了大量的努力,但金剛石晶圓的生產存在缺陷,且無法實現大面積晶圓生長。近年在金屬銥基底上已經可以生長出直徑為4英寸的金剛石薄膜,但是缺陷仍然必須被進一步最小化;同時,均質外延生長金剛石的尺寸也在增加。另外,金剛石存在淺層摻雜問題,摻 硼的 p 型金剛石的合成和應用已經相對成熟,而且通過離子植入或 CVD 方法可以很好地控制雜質水平和載流子傳輸特性。然而,合成 n 型金剛石仍有很大的困難,這限制了金剛石半導體材料在電子領域的應用,在改進摻雜技術、提高電子遷移率、降低電阻率方面,值得進一步研究。

                           另辟蹊徑,破除學科壁壘,解決核心瓶頸

                           一直以來,彈性應變工程被認為是調節金剛石電子特性的一種潛在方法,但由于金剛石固有的超高硬度和脆性的特性,這一方法長期以來被認為是不可能的。因此,金剛石在納米條件下具有彈性、可彎曲這一現象的發現,顛覆了人們的印象,引發學術界關注。

                           2018年,陸洋教授及其團隊首次報道了在納米尺度下對金剛石針實現前所未有的接近9%的超大彎曲彈性應變,并發表在美國《科學》雜志(Science 360 (6386), 300- 302, 2018)。2021年,陸教授團隊繼續通過納米力學方法,在通過微加工塊體單晶金剛石上得到微陣列結構,并通過純力學加載實現了超大、均勻的全局彈性應變,這使得金剛石的“深度彈性應變工程”成為可能。從根本上可控改變金剛石的電子能帶結構,有望用于下一代微電子學、光子學和量子資訊技術。該研究結果于2021 年1月1日再次發表在美國《科學》雜志(Science 371 (6524), 76-78, 2021)。陸教授詳細談起這項工作時說到:“團隊首 先從固體金剛石單晶中加工出了大約1微米長、300納米寬的條狀樣品。在拉伸試驗下,金剛石條表現出高達 9.7% 的彈性變形,這接近金剛石理論上的彈性極限。而在卸載后,它們亦完全恢復了原來的形狀。并通過計算和初步實驗驗證了通過“彈性應變工程”深度調控金剛石能帶結構的可行性。也就意味著,通過納米力學的方法,證明了金剛石的寬禁帶結構可以被調控和顯著改變,更重要的是,這些改變可以是連續和可逆的。

                           另外,在理論上,當施加極端的應變值時,有可能在金剛石中實現“金屬化”,甚至通過復合壓縮-剪切變形金剛石可變成超導體,這些令人激動的理論預測為開發未來基于“應變金剛石”的新型光電及量子器件開啟了可能性。另外,人們發現通過施加應力應變可以控制金剛石單量子系統,這與傳統基于電磁場的既定方法不同。例如,應變已被用于遠程量子系統之間的信息傳輸,并可使機械振蕩器冷卻至其量子基態,這為量子信息處理應用打開了新的前景。

                           借開展跨學科交流合作,走出象牙塔,創造更大價值

                           盡管如此,金剛石進入大規模的微電子產業應用仍然存在巨大的挑戰。例如,基于金剛石的平面加工工藝的開發,將是構建金剛石集成電路芯片的主要挑戰。此外,在精確的帶隙測量下如何長時間保持應變的金剛石將是另一個挑戰。在異質基底上生長金剛石薄膜,通過晶格錯配可能是實現應變金剛石并最終將其用于實際器件的一個短期內較為現實的方法。

                           目前來說,金剛石半導體的研發在香港仍相對冷門。陸洋教授認為后續要發展這一技術,首先需要解決現存的學科壁壘、先進制造業發展滯后等痛點問題?!八晕覀冎荒茉谙愀圩龌A研究,在內地考慮生產。香港研究半導體材料的科學家不少,但他們都傾向于研究石墨烯等較‘時髦’的材料,亦比較好發文章。過于注重基礎科學研究,會導致先進制造業發展緩慢。此外,進一步研發需要博士生人才以及精密的設備,這些投入都需要資金支援。至于金剛石本身,雖然我國的金剛石生產量大,但質量一般,若要用作集成電路,甚至是量子計算機,都需要大量、高質量的單晶金剛石。在高純金剛石單晶的制備方面,我們還有很長一段路要走?!?/p>

                           “團隊的研究成果發表后,很多海外、內地的研究所 都與我們傾談下一步計劃,香港卻較少。納米的世界很微小,很難將研究成果可視化,所以即使研究成果佳,亦很難拿到后續支持。而且金剛石半導體材料的納米力學及應變工程屬于跨學科,涉及機械工程、力學、材料科學等領域知識?!?陸洋教授說,“即使有不少其他領域的科學家對我的研究成果感興趣,但大家思維方式不同,很難進行進一步合作,令更多人看到?!?/p>

                           InnoHK 目前來說只有與健康醫學、人工智能和機器人相關的主題。陸洋教授認為政府之后亦可以考慮加入有關先進制造的項目,讓更多的科研人才關注半導體等項目的發展。而政府應開展一些跨學科交流論壇,不同領域的專家經常合作,才能打破大家在傳統領域的固有思維,碰撞出新的火花。

                           獲得首批國家自然科學基金“過河”港澳項目資助

                           陸洋教授作為2019年首屆國家自然科學基金“優秀青年科學基金(港澳)”項目(簡稱“港澳優青”)的獲選港澳科學家之一,在近期接受香港《大公報》訪問時感慨道:“這筆來自國家的科研基金對金剛石納米力學與應變工程起到了重要幫助,非常及時!”2012年,陸洋教授加入香港城市大學機械工程學系后,便專注于小尺度金屬及半導體材料的微納米力學及應變工程研究。

                           陸洋教授對此也感到十分榮幸?!皥F隊當時是憑‘微納米力學’這一課題獲獎,而該技術恰好適用于金剛石等半導體的應變工程研發?!痹缭?018年,陸洋教授的團隊便發現,金剛石材料納米化后,在拉升、彎曲等力學方式下,只能在香港做基礎研究,在內地考慮生產。香港研究半導體材料的科學家不少,但他們都傾向于研究石墨烯等較‘時髦’的材料,亦比較好發文章。過于注重基礎科學研究,會導致先進制造業發展緩慢。此外,進一步研發需要博士生人才以及精密的設備,這些投入都需要資金支援。至于金剛石本身,雖然我國的金剛石生產量大,但質量一般,若要用作集成電路,甚至是量子計算機,都需要大量、高質量的單晶金剛石。在高純金剛石單晶的制備方面,我們還有很長一段路要走?!?/p>

                           “團隊的研究成果發表后,很多海外、內地的研究所 都與我們傾談下一步計劃,香港卻較少。納米的世界很微小,很難將研究成果可視化,所以即使研究成果佳,亦很難拿到后續支持。而且金剛石半導體材料的納米力學及應變工程屬于跨學科,涉及機械工程、力學、材料科學等領域知識?!?陸洋教授說,“即使有不少其他領域的科學家對我的研究成果感興趣,但大家思維方式不同,很難進行進一步合作, 令更多人看到?!?/p>

                           InnoHK 目前來說只有與健康醫學、人工智能和機器人相關的主題。陸洋教授認為政府之后亦可以考慮加入有關先進制造的項目,讓更多的科研人才關注半導體等項目的發展。而政府應開展一些跨學科交流論壇,不同領域的專家經常合作,才能打破大家在傳統領域的固有思維,碰撞出新的火花。

                           獲得首批國家自然科學基金“過河”港澳項目資助

                           陸洋教授作為2019年首屆國家自然科學基金“優秀青年科學基金(港澳)”項目(簡稱“港澳優青”)的獲選港澳科學家之一,在近期接受香港《大公報》訪問時感慨道:“這筆來自國家的科研基金對金剛石納米力學與應變工程起到了重要幫助,非常及時!”2012年,陸洋教授加入香港城市大學機械工程學系后,便專注于小尺度金屬及半導體材料的微納米力學及應變工程研究。

                           陸洋教授對此也感到十分榮幸?!皥F隊當時是憑‘微 納米力學’這一課題獲獎,而該技術恰好適用于金剛石等半導體的應變工程研發?!痹缭?018年,陸洋教授的團隊便發現,金剛石材料納米化后,在拉升、彎曲等力學方式下,可達到接近 9%-10% 的形變量。陸教授說:“在‘港澳優青’基金的支援下,團隊在2021年再次于《科學》發表文章,我相信隨著越來越多的國家和地方資金投入,金剛石半導體的應用指日可待?!?/p>

                           今年“七一”香港回歸25周年,習主席來港首站考察 香港科學園時著重強調,國家已將支持香港建設國際創科中心納入“十四五”規劃,對香港有很高的期望。希望香港發揮自身優勢,匯聚全球創新資源,與粵港澳大灣區的內地城市珠聯璧合,強化產學研創新協同,著力建設全球科技創新高地。陸教授認為,習主席高瞻遠矚,高度認可香港的高等教育和科研實力,支持發揮香港國際化以及背靠大灣區的獨特優勢,對未來建設香港成為全球科創高地是很大的鼓舞?!霸诹曋飨椭醒氲闹С窒?,我們也更有 信心,把自己的科學研究與國家需求結合起來,走出象牙塔,為社會創造更大的價值?!?/p>

                           陸洋教授說,“團隊希望透過研究金剛石半導體材料,與跨學科專家一起努力,實現彎道超車,令國家半導體事業更進一步。我們目前只是提出科研理論,離真正的應用還有距離。相信香港在國家的支持下,能加大香港本地對先進制造產業的投入,我對金剛石半導體的未來充滿信心?!碑斎?,發展香港先進制造業,亦離不開大灣區的協同。陸洋教授說,廣東省多個城市的制造業都較發達,與內地合作,可以更好地推動金剛石半導體應用。他計劃未來能在香港做基礎和轉化研發,在大灣區內地城市實現產業化。

                           目前,陸洋教授在深圳的香港城市大學深圳研究院“納米制造實驗室(NML)”,已經和中科院深圳先進院、哈爾濱工業大學、南方科技大學、深圳大學、西安電子科技大學等內地高校和科研院所建立了合作。陸教授說到,“期望依托國家對大灣區的長遠發展規劃,同時在民間資本的一起支持下,下一步將繼續推動應變金剛石半導體的應用,實現高質量的批量生產,推動國家的半導體事業發展,實現科研報國的理想?!?/p>

                           最后值得一提的是,金剛石的半導體應用領域正處于蓬勃快速發展的階段,但因其特性,需要多領域、交叉學科的研究人員和產業專家共同努力才能積極推進,以期其作為有別于石墨烯和碳納米管的另一條“碳基半導體”的潛在賽道實現“彎道超車”。

                     

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