如何讓金剛石“聽話”地像硅一樣實(shí)現(xiàn)芯片的基本功能？哈爾濱工業(yè)大學(xué)與香港城市大學(xué)、麻省理工學(xué)院等單位合作，在金剛石單晶領(lǐng)域取得重大科研突破，首次通過納米力學(xué)新方法，通過超大均勻的彈性應(yīng)變調(diào)控，從根本上改變金剛石的能帶結(jié)構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)下一代金剛石基微電子芯片提供了一種全新的方法。1月1日，相關(guān)論文在線發(fā)表在國際著名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》（Science）上。該研究為彈性應(yīng)變工程及單晶金剛石器件的應(yīng)用提供基礎(chǔ)性和顛覆性解決方案，展現(xiàn)了“應(yīng)變金剛石“在光子學(xué)、電子學(xué)和量子信息技術(shù)中的巨大應(yīng)用潛力。

研究成果以“微納金剛石單晶的超大均勻拉伸彈性”（Achieving large uniform tensile elasticity in microfabricated diamond）為題，其中哈爾濱工業(yè)大學(xué)韓杰才院士團(tuán)隊(duì)的朱嘉琦教授、青年教師代兵分別為共同通訊作者（陸洋、李巨、朱嘉琦、Alice Hu）和共同第一作者（黨超群、Jyh-Pin Chou、代兵、Chang-Ti Chou），哈爾濱工業(yè)大學(xué)為共同通訊作者和共同第一作者單位。

據(jù)論文作者之一、哈工大航天學(xué)院朱嘉琦教授介紹，金剛石具有高硬度、超寬帶隙、出色的載流子遷移率和優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，是實(shí)現(xiàn)“后摩爾”時(shí)代電子、光電子和量子芯片的基礎(chǔ)性材料之一，目前最大的技術(shù)障礙在于實(shí)現(xiàn)帶隙的有效調(diào)控。由于金剛石結(jié)構(gòu)緊湊，常規(guī)的N型摻雜目前進(jìn)展緩慢。2018年陸洋團(tuán)隊(duì)首次報(bào)道納米級金剛石針可具有超大的彈性變形，局部彎曲彈性應(yīng)變達(dá)到9％以上，提供了調(diào)節(jié)金剛石能帶的另一種可能。但上述應(yīng)變嘗試往往局限于小樣本體積內(nèi)，而彎曲導(dǎo)致應(yīng)變分布不均勻。因此，在晶圓級、微米尺度樣品中實(shí)現(xiàn)大而均勻彈性應(yīng)變，以充分利用深彈性應(yīng)變工程進(jìn)行金剛石器件級的大規(guī)模集成加工將更加具有應(yīng)用價(jià)值和工程意義。

本次研究在室溫下沿[100]，[101]和[111]方向?qū)﹂L度約1微米，寬度約100-300納米的高質(zhì)量單晶金剛石橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了精細(xì)微加工，并在單軸拉伸載荷下實(shí)現(xiàn)了樣品整體范圍內(nèi)的均勻超大彈性應(yīng)變。同時(shí)，為了展示應(yīng)變金剛石器件的概念，團(tuán)隊(duì)還加工并實(shí)現(xiàn)了微橋金剛石陣列的彈性應(yīng)變。并進(jìn)一步通過計(jì)算可實(shí)現(xiàn)單晶金剛石多達(dá)2eV的帶隙降低，極其有利于微電子應(yīng)用。

圖為應(yīng)變微橋金剛石陣列器件概念圖（來源：香港城市大學(xué)）

香港城市大學(xué)陸洋團(tuán)隊(duì)長期從事對包括硅和金剛石在內(nèi)的“共價(jià)晶體“的微納米力學(xué)研究，并探索彈性應(yīng)變工程及其對半導(dǎo)體工業(yè)應(yīng)用的促進(jìn)和發(fā)展。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)韓杰才院士、朱嘉琦教授團(tuán)隊(duì)長期從事大尺寸單晶金剛石、器件及裝備技術(shù)研究，在英寸級單晶金剛石、金剛石增強(qiáng)導(dǎo)熱器件、日盲紫外探測、核素電池等方面取得階段性進(jìn)展。

沿[101]方向的裝卸拉伸實(shí)驗(yàn)

[100]，[101]和[111]取向金剛石的統(tǒng)計(jì)拉伸結(jié)果

科技日報(bào)記者 李麗云