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「港城大深研資訊」深耕金剛石半導體 “應變工程”,重塑微納制造新高度

2022/6/22 14:37:05 本站原創(chuàng) 點擊數:

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——訪香港城市大學深圳研究院納米制造實驗室主任陸洋教授

近日，從香港城市大學深圳研究院納米制造實驗室（Nano-Manufacturing Laboratory，NML)獲悉，該實驗室主任陸洋教授的微納米力學研究課題組將迎來又一重要“干將”——畢業(yè)于英國布里斯托大學的楊麗民博士已加入實驗室跟隨陸洋教授從事博士后研究，在陸洋教授課題組繼續(xù)其所專注的化學氣相沉積法合成單晶金剛石及金剛石半導體科研工作。

楊麗民博士

金剛石集寬禁帶、高擊穿場強、高熱導率和高電子遷移率等優(yōu)點于一身，被越來越多科學家們視為“終極半導體”。作為該領域的先行者，香港城市大學深圳研究院納米制造實驗室主任陸洋教授帶領課題組，首次通過微納米力學應用，創(chuàng)造性地將“應變工程”應用到微納米尺度的金剛石，先后成功實現(xiàn)單晶金剛石納米針的超大彈性彎曲應變（Science 2018）以及微加工金剛石微橋陣列的接近10%的超大均勻彈性拉伸應變(Science 2021)，并通過理論計算和初步實驗結果驗證了通過“彈性應變工程”深度調控金剛石禁帶寬度和能帶結構的可行性，為實現(xiàn)金剛石微電子和光電子器件提供了全新的一條技術路線和顛覆性解決方案，使金剛石技術的應用場景大幅增加，為金剛石半導體微納制造賦能，成效卓著。我們本期對陸洋教授進行采訪，零距離探討金剛石半導體微納制造的創(chuàng)新故事和話題。

“5G時代”半導體材料大PK，誰更優(yōu)

信息化時代的腳步全面邁入5G，半導體技術尤其是其材料甄選，是決定5G信息應用成敗的關鍵。在談到半導體材料孰優(yōu)孰劣時，陸教授表示：5G時代涌現(xiàn)的第三代半導體雖不是一項全新的技術，但在5G和電動車時代，第三代半導體明顯呈現(xiàn)出第一代、第二代半導體無可比擬的優(yōu)勢，在抗高壓、耐高溫、能量損耗和能量密度等方面上功能顯著。并且，相比于在摩爾定律的演進下不斷追趕更小尺寸的芯片，第三代半導體器件完全可以采用現(xiàn)有的大尺寸器件加工平臺完成。這是我國大陸目前適合發(fā)展的重要方向，另外，在第三代及新興半導體上，中外研究水平和企業(yè)技術實力相對接近。

微加工單晶金剛石器件陣列示意圖

據介紹，5G第三代半導體應用中可供選擇的兩種主要材料是氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）。而具備更寬帶隙的氧化鎵（Ga2O3）、氮化鋁（AlN）和金剛石又被稱為第四代半導體。其中，金剛石因為其超硬的物理特性，被冠以“最硬最鋒利的工業(yè)牙齒”的美譽。航空航天、國防軍工以及光伏與電子信息等領域里的各種高難度材料加工難題，在它面前都可以迎刃而解。除此之外，金剛石還被業(yè)界公認為“終極半導體”，有專家們甚至表示“金剛石可能會是延續(xù)硅時代摩爾定律的明星材料”。

“應變工程”為金剛石半導體應用開新路

陸洋教授專門從事微納米力學研究，自2012年從美國回到香港獨立做科研開始，他在金剛石領域深入研究至今已經近10年，是金剛石半導體微納米技術“高度沉浸者”。他表示：相比金屬材料，半導體材料里有許多有趣的物理現(xiàn)象，因此我們的研究出發(fā)點不只是單純地將材料變得更強更硬，而是希望通過微納米力學作為一種調控手段來改變和促進半導體功能性質的應用。如今隨著科技的飛速發(fā)展，人造金剛石的技術愈發(fā)成熟，成本越來越低，金剛石半導體將迎來新的發(fā)展，在“應變工程”的加持下，金剛石在微電子和光電技術的應用場景也大幅增加。

金剛石器件陣列拉伸示意圖

（a）- （c）應變金剛石器件陣列，（d）沿不同方向不同應變值下，金剛石禁帶寬度變化的第一性原理預測（來源Lu Y.*, et al. Science, 2021）

在一次聯(lián)合城大超金剛石及先進薄膜研究中心及麻省理工學院（MIT）等共同探索金剛石微納力學的研發(fā)項目中，陸洋教授帶領課題組在實驗中突破性地發(fā)現(xiàn)，金剛石這種 “最硬的” 材料當特征尺寸縮小到納米尺度其不僅可以彎曲，甚至還可發(fā)生顯著彈性變形，局部最大變形量達到接近9%。

在早前單晶金剛石納米針中實現(xiàn)的超大彈性變形（來源：Lu*, et al. Science, 2018)

于是，以這一發(fā)現(xiàn)為突破口，陸洋教授課題組開始持續(xù)深度鉆研“應變金剛石”的半導體應用潛力及其在微納尺度下“彈性應變工程”，并因此為行業(yè)發(fā)展帶來新的啟發(fā)。他與哈工大合作團隊首次采用基于大尺寸單晶金剛石的微加工，在室溫下沿 [100]、[101] 和 [111] 等不同晶體學方向對長度約1-2微米，寬度約 100-300 納米的單晶金剛石微橋結構，進行原位力學加載，并在單軸拉伸載荷下實現(xiàn)了金剛石接近10%的均勻“彈性應變”，接近金剛石的理論彈性極限。與此同時，研究團隊與麻省理工和勞倫斯伯克利實驗室的科學家通過理論模擬和原位電鏡EELS實驗進一步展示了通過對微加工的金剛石進行‘深層彈性應變工程’（deep elastic strain engineering），減小其電子能帶隙并有可能實現(xiàn)從間接帶隙到直接帶隙轉變，帶來研制新型電子器件的可能性，在光子學、電子學和量子信息技術方面的巨大應用潛力。陸洋教授這一項研究成果，于2021年1月1日發(fā)表在國際頂級期刊《Science》，引起業(yè)界轟動。

“精進管理”成就微納制造高效平臺

目前，在城大和深圳市科創(chuàng)委的支持下，陸洋教授領導下的香港城市大學深圳研究院納米制造實驗室（Nano-Manufacturing Laboratory，NML)正走在國內金剛石半導體微納制造的技術前沿，同時也是業(yè)界領先的高精度微納制造平臺，不斷為金屬及半導體機械超材料和器件領域探索先進的技術和知識。

位于香港城市大學深圳研究院的納米制造實驗室（NML）具備先進微納制造和表征一體化平臺

讓人覺得意外，陸洋教授并不單單只講技術，還非常注重管理。在談到香港城市大學深圳研究院納米制造實驗室的平臺成長時，陸洋教授深有感觸：“（實驗室）能有今天的初步成功，除了技術上的突破，離不開團隊的精進管理。我們推行的這套‘精進管理’，其內核就是以人才為本，不斷改進、改進，再改進。金剛石半導體微納米制造研發(fā)是一個不斷試錯和改進的過程，管理上我倡導每一個博士生，每一位在站博士后都是獨當一面的主人公，同時又是能協(xié)同共進的集體，人人都有發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的權力，也都能盡情發(fā)表自己的觀點，每一個人都能暢所欲言，不畏懼失敗，才能思維開闊，大家一起合作才能心情舒暢…這樣才能最大程度地調動大家積極創(chuàng)新的熱情，有利于打破常規(guī)實現(xiàn)技術上的突破。”而新加入的楊麗民博士正是這樣一位代表，目前他正在結合理論模擬與實驗，嘗試挑戰(zhàn)“金剛石的n型摻雜”這一行業(yè)內公認的頂尖難題。

陸洋教授與合作團隊首次實現(xiàn)了金剛石的深度彈性變形，相關成果發(fā)表在Science等權威期刊，并獲得多項資助。陸教授本人也獲得了首屆國家自然科學基金優(yōu)秀青年科學基金（港澳）的資助，并入選了香港研究資助局的首屆“研資局研究學者（RFS）”項目。

顯然，通過深度應變微加工金剛石，實現(xiàn)極大、可逆、均勻的彈性變形以及電子性能的調控，為新一代微電子科技開拓了新方向，但金剛石進入大規(guī)模的微電子產業(yè)應用目前仍然存在巨大挑戰(zhàn)，仍然需要多領域、交叉學科的研究人員和產業(yè)專家共同努力才能積極推進，才能讓其作為“碳基半導體”在有別于石墨烯和碳納米管的另一條潛在賽道上實現(xiàn)我國半導體技術的“彎道超車”。陸洋教授迫切期望能有更多不同領域的研究者、投資者可以加入到金剛石寬禁帶半導體的探索及小范圍應用嘗試中，共同努力讓這種極具價值的尖端電子材料早日廣泛應用于生產、生活等各個領域，以造福社會，造福人民。

入園院校駐深機構