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

       近年，關(guān)于金剛石的研發(fā)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(guān)鍵環(huán)節(jié)，這表明金剛石作為新一代寬禁帶半導(dǎo)體材料的現(xiàn)實應(yīng)用也即將迎來曙光。本期《Carbontech Magazine》特邀香港城市大學(xué)機械工程學(xué)系陸洋教授進行專訪，從納米力學(xué)與應(yīng)變工程角度談?wù)勅绾沃χ袊饎偸雽?dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

       【人物檔案】

       陸洋，香港城市大學(xué)機械工程學(xué)系正教授。主要從事微納米力學(xué)與原位力電研究，特別是對于半導(dǎo)體材料的力學(xué)行為及其尺度效應(yīng)的探索，促進其在微機械/機電系統(tǒng)及先進制造等實際應(yīng)用。陸洋與合作者在早前的研究中發(fā)現(xiàn)了超細金屬納米線的“冷焊”現(xiàn)象以及納米尺度下硅和金剛石的“超大彈性”，有望應(yīng)用于創(chuàng)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(xué)術(shù)刊物發(fā)表文章 100 余篇，并擔(dān)任 Materials Today、Acta Mechanica Sinica、中國科學(xué)：技術(shù)科學(xué)等學(xué)術(shù)期刊的編輯。曾獲得香港城市大學(xué)2019 年度“杰出研究獎（青年學(xué)者）”和2017年度“校長獎”，以及首批國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金（港澳）以及香港研究資助局“研資局研究學(xué)者”（RFS）項目。2022年當(dāng)選香港青年科學(xué)院（YASHK）院士。

       寬禁帶半導(dǎo)體應(yīng)用廣，需求極大

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

       其中，金剛石材料憑借其具有超寬帶隙（5.5 eV）、低介電常數(shù)（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(yōu)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(dǎo)體材料”。相比于 Si 和 GaAs 等半導(dǎo)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(yōu)勢，在高溫、高頻、高功率以及耐壓領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力，在電力電子設(shè)備、新能源汽車、5G 基站等系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。該路線最突出的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下兩個方面：

       與現(xiàn)有制硅技術(shù)和產(chǎn)業(yè)路線可兼容

       現(xiàn)代信息時代的科技原動力是建立在“摩爾定律”的 基礎(chǔ)上，也就是硅基時代。那么或許延續(xù)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(yè)內(nèi)目前已可以研制出3英寸以上的高質(zhì)量金剛石單晶晶圓。同時，金剛石體系又能和硅的半導(dǎo)體工業(yè)體系相兼容，即硅的制造技術(shù)與設(shè)備亦適用于金剛石材料。目前硅的投入已能達到一條生產(chǎn)線產(chǎn)出幾十億塊單晶的產(chǎn)量，若金剛石制備工藝與技術(shù)能夠發(fā)展成熟，就可以充分利用成熟的硅技術(shù)體系來實現(xiàn)大的產(chǎn)量?！?/p>

       夠穩(wěn)定，散熱佳，金剛石半導(dǎo)體優(yōu)勢應(yīng)用多，有望用于量子資訊技術(shù)

       金剛石因為擁有超高的導(dǎo)熱性、優(yōu)異的電學(xué)和光學(xué)特性，科學(xué)家常思考把它作為半導(dǎo)體材料應(yīng)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(shù)領(lǐng)域的發(fā)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(fā)光不被吸收而發(fā)射出來，形成一系列缺陷誘導(dǎo)的顏色中心，即所謂的“色心”。特別是金剛石中與空位相關(guān)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(yīng)用于量子計算機中。首先，金剛石本身結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，當(dāng)它制成量子計算機時，有強穩(wěn)固性。其次，傳統(tǒng)的量子計算機需在液氮環(huán)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(dǎo)體，金剛石極具潛力！

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

       陸教授認為，“碳納米管、石墨烯都屬于熱門的碳基 半導(dǎo)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(dǎo)體材料，但它在未來被應(yīng)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(guī)模化生產(chǎn)，還面臨很多挑戰(zhàn)。例如碳納米管天生有金屬性、半導(dǎo)體性這兩種特性，較難提純。在批量生產(chǎn)時，所得出的半導(dǎo)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(zhì)量的晶圓，其質(zhì)量還很難達到集成電路的要求。此外，石墨烯本身不是半導(dǎo)體，需做一些調(diào)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(yōu)點和不足。但相信，若金剛石半導(dǎo)體能發(fā)展起來，將可以成為碳基半導(dǎo)體中一條非常有潛力的方案，值得投入?！?/p>

       產(chǎn)學(xué)研道路依然困難重重

       然而，金剛石在實際應(yīng)用于下一代電子產(chǎn)品中也面臨著各種挑戰(zhàn)。雖然人們已經(jīng)在金剛石高壓開關(guān)二極管的實驗建模和制備、大功率高頻場效應(yīng)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(chǎn)存在缺陷，且無法實現(xiàn)大面積晶圓生長。近年在金屬銥基底上已經(jīng)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(zhì)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(yīng)用已經(jīng)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(zhì)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(dǎo)體材料在電子領(lǐng)域的應(yīng)用，在改進摻雜技術(shù)、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(xué)科壁壘，解決核心瓶頸

       一直以來，彈性應(yīng)變工程被認為是調(diào)節(jié)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(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，顛覆了人們的印象，引發(fā)學(xué)術(shù)界關(guān)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(xiàn)前所未有的接近9%的超大彎曲彈性應(yīng)變，并發(fā)表在美國《科學(xué)》雜志（Science 360 (6386), 300- 302, 2018）。2021年，陸教授團隊繼續(xù)通過納米力學(xué)方法，在通過微加工塊體單晶金剛石上得到微陣列結(jié)構(gòu)，并通過純力學(xué)加載實現(xiàn)了超大、均勻的全局彈性應(yīng)變，這使得金剛石的“深度彈性應(yīng)變工程”成為可能。從根本上可控改變金剛石的電子能帶結(jié)構(gòu)，有望用于下一代微電子學(xué)、光子學(xué)和量子資訊技術(shù)。該研究結(jié)果于2021 年1月1日再次發(fā)表在美國《科學(xué)》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(xiàn)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(fù)了原來的形狀。并通過計算和初步實驗驗證了通過“彈性應(yīng)變工程”深度調(diào)控金剛石能帶結(jié)構(gòu)的可行性。也就意味著，通過納米力學(xué)的方法，證明了金剛石的寬禁帶結(jié)構(gòu)可以被調(diào)控和顯著改變，更重要的是，這些改變可以是連續(xù)和可逆的。

       另外，在理論上，當(dāng)施加極端的應(yīng)變值時，有可能在金剛石中實現(xiàn)“金屬化”，甚至通過復(fù)合壓縮-剪切變形金剛石可變成超導(dǎo)體，這些令人激動的理論預(yù)測為開發(fā)未來基于“應(yīng)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(fā)現(xiàn)通過施加應(yīng)力應(yīng)變可以控制金剛石單量子系統(tǒng)，這與傳統(tǒng)基于電磁場的既定方法不同。例如，應(yīng)變已被用于遠程量子系統(tǒng)之間的信息傳輸，并可使機械振蕩器冷卻至其量子基態(tài)，這為量子信息處理應(yīng)用打開了新的前景。

       借開展跨學(xué)科交流合作，走出象牙塔，創(chuàng)造更大價值

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

       目前來說，金剛石半導(dǎo)體的研發(fā)在香港仍相對冷門。陸洋教授認為后續(xù)要發(fā)展這一技術(shù)，首先需要解決現(xiàn)存的學(xué)科壁壘、先進制造業(yè)發(fā)展滯后等痛點問題。“所以我們只能在香港做基礎(chǔ)研究，在內(nèi)地考慮生產(chǎn)。香港研究半導(dǎo)體材料的科學(xué)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(fā)文章。過于注重基礎(chǔ)科學(xué)研究，會導(dǎo)致先進制造業(yè)發(fā)展緩慢。此外，進一步研發(fā)需要博士生人才以及精密的設(shè)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(chǎn)量大，但質(zhì)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(zhì)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(fā)表后，很多海外、內(nèi)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(xù)支持。而且金剛石半導(dǎo)體材料的納米力學(xué)及應(yīng)變工程屬于跨學(xué)科，涉及機械工程、力學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域知識?！?陸洋教授說，“即使有不少其他領(lǐng)域的科學(xué)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(yī)學(xué)、人工智能和機器人相關(guān)的主題。陸洋教授認為政府之后亦可以考慮加入有關(guān)先進制造的項目，讓更多的科研人才關(guān)注半導(dǎo)體等項目的發(fā)展。而政府應(yīng)開展一些跨學(xué)科交流論壇，不同領(lǐng)域的專家經(jīng)常合作，才能打破大家在傳統(tǒng)領(lǐng)域的固有思維，碰撞出新的火花。

       獲得首批國家自然科學(xué)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(xué)基金“優(yōu)秀青年科學(xué)基金（港澳）”項目（簡稱“港澳優(yōu)青”）的獲選港澳科學(xué)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(xué)與應(yīng)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(xué)機械工程學(xué)系后，便專注于小尺度金屬及半導(dǎo)體材料的微納米力學(xué)及應(yīng)變工程研究。

       陸洋教授對此也感到十分榮幸。“團隊當(dāng)時是憑‘微納米力學(xué)’這一課題獲獎，而該技術(shù)恰好適用于金剛石等半導(dǎo)體的應(yīng)變工程研發(fā)?！痹缭?018年，陸洋教授的團隊便發(fā)現(xiàn)，金剛石材料納米化后，在拉升、彎曲等力學(xué)方式下，只能在香港做基礎(chǔ)研究，在內(nèi)地考慮生產(chǎn)。香港研究半導(dǎo)體材料的科學(xué)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(fā)文章。過于注重基礎(chǔ)科學(xué)研究，會導(dǎo)致先進制造業(yè)發(fā)展緩慢。此外，進一步研發(fā)需要博士生人才以及精密的設(shè)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(chǎn)量大，但質(zhì)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(zhì)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(fā)表后，很多海外、內(nèi)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(xù)支持。而且金剛石半導(dǎo)體材料的納米力學(xué)及應(yīng)變工程屬于跨學(xué)科，涉及機械工程、力學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域知識?！?陸洋教授說，“即使有不少其他領(lǐng)域的科學(xué)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。”

       InnoHK 目前來說只有與健康醫(yī)學(xué)、人工智能和機器人相關(guān)的主題。陸洋教授認為政府之后亦可以考慮加入有關(guān)先進制造的項目，讓更多的科研人才關(guān)注半導(dǎo)體等項目的發(fā)展。而政府應(yīng)開展一些跨學(xué)科交流論壇，不同領(lǐng)域的專家經(jīng)常合作，才能打破大家在傳統(tǒng)領(lǐng)域的固有思維，碰撞出新的火花。

       獲得首批國家自然科學(xué)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(xué)基金“優(yōu)秀青年科學(xué)基金（港澳）”項目（簡稱“港澳優(yōu)青”）的獲選港澳科學(xué)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(xué)與應(yīng)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(xué)機械工程學(xué)系后，便專注于小尺度金屬及半導(dǎo)體材料的微納米力學(xué)及應(yīng)變工程研究。

       陸洋教授對此也感到十分榮幸?！皥F隊當(dāng)時是憑‘微 納米力學(xué)’這一課題獲獎，而該技術(shù)恰好適用于金剛石等半導(dǎo)體的應(yīng)變工程研發(fā)?！痹缭?018年，陸洋教授的團隊便發(fā)現(xiàn)，金剛石材料納米化后，在拉升、彎曲等力學(xué)方式下，可達到接近 9%-10% 的形變量。陸教授說：“在‘港澳優(yōu)青’基金的支援下，團隊在2021年再次于《科學(xué)》發(fā)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(dǎo)體的應(yīng)用指日可待?！?/p>

       今年“七一”香港回歸25周年，習(xí)主席來港首站考察 香港科學(xué)園時著重強調(diào)，國家已將支持香港建設(shè)國際創(chuàng)科中心納入“十四五”規(guī)劃，對香港有很高的期望。希望香港發(fā)揮自身優(yōu)勢，匯聚全球創(chuàng)新資源，與粵港澳大灣區(qū)的內(nèi)地城市珠聯(lián)璧合，強化產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新協(xié)同，著力建設(shè)全球科技創(chuàng)新高地。陸教授認為，習(xí)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(fā)揮香港國際化以及背靠大灣區(qū)的獨特優(yōu)勢，對未來建設(shè)香港成為全球科創(chuàng)高地是很大的鼓舞?！霸诹?xí)主席和中央的支持下，我們也更有 信心，把自己的科學(xué)研究與國家需求結(jié)合起來，走出象牙塔，為社會創(chuàng)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(dǎo)體材料，與跨學(xué)科專家一起努力，實現(xiàn)彎道超車，令國家半導(dǎo)體事業(yè)更進一步。我們目前只是提出科研理論，離真正的應(yīng)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(chǎn)業(yè)的投入，我對金剛石半導(dǎo)體的未來充滿信心?！碑?dāng)然，發(fā)展香港先進制造業(yè)，亦離不開大灣區(qū)的協(xié)同。陸洋教授說，廣東省多個城市的制造業(yè)都較發(fā)達，與內(nèi)地合作，可以更好地推動金剛石半導(dǎo)體應(yīng)用。他計劃未來能在香港做基礎(chǔ)和轉(zhuǎn)化研發(fā)，在大灣區(qū)內(nèi)地城市實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

       目前，陸洋教授在深圳的香港城市大學(xué)深圳研究院“納米制造實驗室（NML）”，已經(jīng)和中科院深圳先進院、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、南方科技大學(xué)、深圳大學(xué)、西安電子科技大學(xué)等內(nèi)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(qū)的長遠發(fā)展規(guī)劃，同時在民間資本的一起支持下，下一步將繼續(xù)推動應(yīng)變金剛石半導(dǎo)體的應(yīng)用，實現(xiàn)高質(zhì)量的批量生產(chǎn)，推動國家的半導(dǎo)體事業(yè)發(fā)展，實現(xiàn)科研報國的理想?！?/p>

       最后值得一提的是，金剛石的半導(dǎo)體應(yīng)用領(lǐng)域正處于蓬勃快速發(fā)展的階段，但因其特性，需要多領(lǐng)域、交叉學(xué)科的研究人員和產(chǎn)業(yè)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(dǎo)體”的潛在賽道實現(xiàn)“彎道超車”。