陆洋：推动应变金刚石半导体应用，助力国家新一代半导体事业发展

半导体材料的制备与应用开拓一直是国家高度重视的关键技术领域，是军事国防科学中必不可少的材料之一。金刚石作为第四代半导体材料在国防、5G 通讯、能源互联网、新能源汽车、量子技术等领域具有战略性地位。例如，8月12日，美国对第四代半导体等技术实施新出口管制这一举动，充分反应了金刚石作为新一代半导体材料应用的巨大潜力。

近年，关于金刚石的研发进展频繁突破，涉及大尺寸金刚石晶圆制备、金刚石材料的 n 型掺杂以及金刚石器件研究等多个关键环节，这表明金刚石作为新一代宽禁带半导体材料的现实应用也即将迎来曙光。本期《Carbontech Magazine》特邀香港城市大学机械工程学系陆洋教授进行专访，从纳米力学与应变工程角度谈谈如何助力中国金刚石半导体产业发展。

【人物档案】

陆洋，香港城市大学机械工程学系正教授。主要从事微纳米力学与原位力电研究，特别是对于半导体材料的力学行为及其尺度效应的探索，促进其在微机械/机电系统及先进制造等实际应用。陆洋与合作者在早前的研究中发现了超细金属纳米线的“冷焊”现象以及纳米尺度下硅和金刚石的“超大弹性”，有望应用于创新微电子以及量子器件。他以第一或通讯作者在 Science、Nature Nanotechnology、 Science Advances、Nature Communications 等学术刊物发表文章 100 余篇，并担任 Materials Today、Acta Mechanica Sinica、中国科学：技术科学等学术期刊的编辑。曾获得香港城市大学2019 年度“杰出研究奖（青年学者）”和2017年度“校长奖”，以及首批国家自然科学基金优秀青年科学基金（港澳）以及香港研究资助局“研资局研究学者”（RFS）项目。2022年当选香港青年科学院（YASHK）院士。

宽禁带半导体应用广，需求极大

半导体是指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，广泛应用于集成电路、消费电子、通信系统、光伏发电、照明、大功率电源转换等领域。在日常生活中，大部分的电子产品的核心单元都和半导体有着极为密切的关联。因此，无论从科技或是经济发展的角度来看，半导体的重要性都是不言而喻的。陆洋教授表示，“半导体对国家的发展十分重要。目前，我国每年进口芯片所花的钱早已经超过了石油。同时，由于西方的技术封锁，导致我们国家想发展自己的硅基半导体产业特别艰难，所以发展新型半导体也是一条重要且迫切的路线。”另外，随着对宽带隙半导体需求的增加，5G 甚至 6G 网络的到来，以及对大功率高频电气设备的需求，传统的硅基半导体技术由于性能有限而面临巨大的挑战。

其中，金刚石材料凭借其具有超宽带隙（5.5 eV）、低介电常数（5.7）、高载流子迁移率，特别是空穴迁移率以及极高的耐腐蚀性等优异的性能，成为下一代微电子和光子器件的理想材料，也被誉为“终极半导体材料”。相比于 Si 和 GaAs 等半导体材料，利用金刚石制造的新一代电力电子器件具有更小、更快、更可靠和更高效的优势，在高温、高频、高功率以及耐压领域具有极大的应用潜力，在电力电子设备、新能源汽车、5G 基站等系统中具有广泛的应用前景。该路线最突出的优势主要体现在以下两个方面：

与现有制硅技术和产业路线可兼容

现代信息时代的科技原动力是建立在“摩尔定律”的 基础上，也就是硅基时代。那么或许延续或重塑未来科技辉煌的就是钻石时代。“金刚石与硅一样，有机会被制成大块晶体。”陆教授说到，“行业内目前已可以研制出3英寸以上的高质量金刚石单晶晶圆。同时，金刚石体系又能和硅的半导体工业体系相兼容，即硅的制造技术与设备亦适用于金刚石材料。目前硅的投入已能达到一条生产线产出几十亿块单晶的产量，若金刚石制备工艺与技术能够发展成熟，就可以充分利用成熟的硅技术体系来实现大的产量。”

够稳定，散热佳，金刚石半导体优势应用多，有望用于量子资讯技术

金刚石因为拥有超高的导热性、优异的电学和光学特性，科学家常思考把它作为半导体材料应用于光电工程中的可能性，这也助推了金刚石在量子信息技术领域的发展。由于金刚石具有超宽的禁带宽度，使其位于禁带中深能级缺陷发光不被吸收而发射出来，形成一系列缺陷诱导的颜色中心，即所谓的“色心”。特别是金刚石中与空位相关的缺陷，如氮空位（NV）或硅空位（SiV）中心。这些色心具有类似“单原子”的分立能级，非常适合用于量子信 息处理和量子计算的载体。陆教授说到，“金刚石中有一块色心，能应用于量子计算机中。首先，金刚石本身结构稳固，当它制成量子计算机时，有强稳固性。其次，传统的量子计算机需在液氮环境中使用，但金刚石的散热特别好，制成量子计算机后就能放在常温中使用，十分有利于量子计算机的普及。”

作为相对“冷门”的碳基半导体，金刚石极具潜力！

目前市面上有多种半导体，除常见的硅基材料，科学家亦致力于研究碳基半导体。碳基半导体也被认为是后摩尔时代的颠覆性技术，是我国在半导体领域突破点之一！相较于石墨烯、碳纳米管等碳基半导体，金刚石半导体在高功率下较稳定、散热佳，具有许多优势应用领域。

陆教授认为，“碳纳米管、石墨烯都属于热门的碳基 半导体材料，已被广泛研究。而金刚石虽然属于相对冷门的碳基半导体材料，但它在未来被应用于集成电路的潜力是巨大的。碳纳米管、石墨烯做展示性器件相对容易，但是若要规模化生产，还面临很多挑战。例如碳纳米管天生有金属性、半导体性这两种特性，较难提纯。在批量生产时，所得出的半导体性碳纳米管里面常混有金属性管。至于石墨烯若要制成器件，即高质量的晶圆，其质量还很难达到集成电路的要求。此外，石墨烯本身不是半导体，需做一些调控才能使用。”陆教授补充说到，“条条大路通罗马，石墨烯、碳纳米管和金刚石都有各自的优点和不足。但相信，若金刚石半导体能发展起来，将可以成为碳基半导体中一条非常有潜力的方案，值得投入。”

产学研道路依然困难重重

然而，金刚石在实际应用于下一代电子产品中也面临着各种挑战。虽然人们已经在金刚石高压开关二极管的实验建模和制备、大功率高频场效应管、高温下工作的器件以及 MEMS/NEMS 做了大量的努力，但金刚石晶圆的生产存在缺陷，且无法实现大面积晶圆生长。近年在金属铱基底上已经可以生长出直径为4英寸的金刚石薄膜，但是缺陷仍然必须被进一步最小化；同时，均质外延生长金刚石的尺寸也在增加。另外，金刚石存在浅层掺杂问题，掺 硼的 p 型金刚石的合成和应用已经相对成熟，而且通过离子植入或 CVD 方法可以很好地控制杂质水平和载流子传输特性。然而，合成 n 型金刚石仍有很大的困难，这限制了金刚石半导体材料在电子领域的应用，在改进掺杂技术、提高电子迁移率、降低电阻率方面，值得进一步研究。

另辟蹊径，破除学科壁垒，解决核心瓶颈

一直以来，弹性应变工程被认为是调节金刚石电子特性的一种潜在方法，但由于金刚石固有的超高硬度和脆性的特性，这一方法长期以来被认为是不可能的。因此，金刚石在纳米条件下具有弹性、可弯曲这一现象的发现，颠覆了人们的印象，引发学术界关注。

2018年，陆洋教授及其团队首次报道了在纳米尺度下对金刚石针实现前所未有的接近9%的超大弯曲弹性应变，并发表在美国《科学》杂志（Science 360 (6386), 300- 302, 2018）。2021年，陆教授团队继续通过纳米力学方法，在通过微加工块体单晶金刚石上得到微阵列结构，并通过纯力学加载实现了超大、均匀的全局弹性应变，这使得金刚石的“深度弹性应变工程”成为可能。从根本上可控改变金刚石的电子能带结构，有望用于下一代微电子学、光子学和量子资讯技术。该研究结果于2021 年1月1日再次发表在美国《科学》杂志（Science 371 (6524), 76-78, 2021）。陆教授详细谈起这项工作时说到：“团队首 先从固体金刚石单晶中加工出了大约1微米长、300纳米宽的条状样品。在拉伸试验下，金刚石条表现出高达 9.7% 的弹性变形，这接近金刚石理论上的弹性极限。而在卸载后，它们亦完全恢复了原来的形状。并通过计算和初步实验验证了通过“弹性应变工程”深度调控金刚石能带结构的可行性。也就意味着，通过纳米力学的方法，证明了金刚石的宽禁带结构可以被调控和显著改变，更重要的是，这些改变可以是连续和可逆的。

另外，在理论上，当施加极端的应变值时，有可能在金刚石中实现“金属化”，甚至通过复合压缩-剪切变形金刚石可变成超导体，这些令人激动的理论预测为开发未来基于“应变金刚石”的新型光电及量子器件开启了可能性。另外，人们发现通过施加应力应变可以控制金刚石单量子系统，这与传统基于电磁场的既定方法不同。例如，应变已被用于远程量子系统之间的信息传输，并可使机械振荡器冷却至其量子基态，这为量子信息处理应用打开了新的前景。

借开展跨学科交流合作，走出象牙塔，创造更大价值

尽管如此，金刚石进入大规模的微电子产业应用仍然存在巨大的挑战。例如，基于金刚石的平面加工工艺的开发，将是构建金刚石集成电路芯片的主要挑战。此外，在精确的带隙测量下如何长时间保持应变的金刚石将是另一个挑战。在异质基底上生长金刚石薄膜，通过晶格错配可能是实现应变金刚石并最终将其用于实际器件的一个短期内较为现实的方法。

目前来说，金刚石半导体的研发在香港仍相对冷门。陆洋教授认为后续要发展这一技术，首先需要解决现存的学科壁垒、先进制造业发展滞后等痛点问题。“所以我们只能在香港做基础研究，在内地考虑生产。香港研究半导体材料的科学家不少，但他们都倾向于研究石墨烯等较‘时髦’的材料，亦比较好发文章。过于注重基础科学研究，会导致先进制造业发展缓慢。此外，进一步研发需要博士生人才以及精密的设备，这些投入都需要资金支援。至于金刚石本身，虽然我国的金刚石生产量大，但质量一般，若要用作集成电路，甚至是量子计算机，都需要大量、高质量的单晶金刚石。在高纯金刚石单晶的制备方面，我们还有很长一段路要走。”

“团队的研究成果发表后，很多海外、内地的研究所 都与我们倾谈下一步计划，香港却较少。纳米的世界很微小，很难将研究成果可视化，所以即使研究成果佳，亦很难拿到后续支持。而且金刚石半导体材料的纳米力学及应变工程属于跨学科，涉及机械工程、力学、材料科学等领域知识。” 陆洋教授说，“即使有不少其他领域的科学家对我的研究成果感兴趣，但大家思维方式不同，很难进行进一步合作，令更多人看到。”

InnoHK 目前来说只有与健康医学、人工智能和机器人相关的主题。陆洋教授认为政府之后亦可以考虑加入有关先进制造的项目，让更多的科研人才关注半导体等项目的发展。而政府应开展一些跨学科交流论坛，不同领域的专家经常合作，才能打破大家在传统领域的固有思维，碰撞出新的火花。

获得首批国家自然科学基金“过河”港澳项目资助

陆洋教授作为2019年首届国家自然科学基金“优秀青年科学基金（港澳）”项目（简称“港澳优青”）的获选港澳科学家之一，在近期接受香港《大公报》访问时感慨道：“这笔来自国家的科研基金对金刚石纳米力学与应变工程起到了重要帮助，非常及时！”2012年，陆洋教授加入香港城市大学机械工程学系后，便专注于小尺度金属及半导体材料的微纳米力学及应变工程研究。

陆洋教授对此也感到十分荣幸。“团队当时是凭‘微 纳米力学’这一课题获奖，而该技术恰好适用于金刚石等半导体的应变工程研发。”早在2018年，陆洋教授的团队便发现，金刚石材料纳米化后，在拉升、弯曲等力学方式下，可达到接近 9%-10% 的形变量。陆教授说：“在‘港澳优青’基金的支援下，团队在2021年再次于《科学》发表文章，我相信随着越来越多的国家和地方资金投入，金刚石半导体的应用指日可待。”

今年“七一”香港回归25周年，习主席来港首站考察 香港科学园时着重强调，国家已将支持香港建设国际创科中心纳入“十四五”规划，对香港有很高的期望。希望香港发挥自身优势，汇聚全球创新资源，与粤港澳大湾区的内地城市珠联璧合，强化产学研创新协同，着力建设全球科技创新高地。陆教授认为，习主席高瞻远瞩，高度认可香港的高等教育和科研实力，支持发挥香港国际化以及背靠大湾区的独特优势，对未来建设香港成为全球科创高地是很大的鼓舞。“在习主席和中央的支持下，我们也更有 信心，把自己的科学研究与国家需求结合起来，走出象牙塔，为社会创造更大的价值。”

陆洋教授说，“团队希望透过研究金刚石半导体材料，与跨学科专家一起努力，实现弯道超车，令国家半导体事业更进一步。我们目前只是提出科研理论，离真正的应用还有距离。相信香港在国家的支持下，能加大香港本地对先进制造产业的投入，我对金刚石半导体的未来充满信心。”当然，发展香港先进制造业，亦离不开大湾区的协同。陆洋教授说，广东省多个城市的制造业都较发达，与内地合作，可以更好地推动金刚石半导体应用。他计划未来能在香港做基础和转化研发，在大湾区内地城市实现产业化。

目前，陆洋教授在深圳的香港城市大学深圳研究院“纳米制造实验室（NML）”，已经和中科院深圳先进院、哈尔滨工业大学、南方科技大学、深圳大学、西安电子科技大学等内地高校和科研院所建立了合作。陆教授说到，“期望依托国家对大湾区的长远发展规划，同时在民间资本的一起支持下，下一步将继续推动应变金刚石半导体的应用，实现高质量的批量生产，推动国家的半导体事业发展，实现科研报国的理想。”

最后值得一提的是，金刚石的半导体应用领域正处于蓬勃快速发展的阶段，但因其特性，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积极推进，以期其作为有别于石墨烯和碳纳米管的另一条“碳基半导体”的潜在赛道实现“弯道超车”。

来源：Carbontech