最新突破！金刚石可拉伸，变身芯片时更“听话”

科技日报记者 李丽云

如何让金刚石“听话”地像硅一样实现芯片的基本功能？哈尔滨工业大学与香港城市大学、麻省理工学院等单位合作，在金刚石单晶领域取得重大科研突破，首次通过纳米力学新方法，通过超大均匀的弹性应变调控，从根本上改变金刚石的能带结构，为实现下一代金刚石基微电子芯片提供了一种全新的方法。1月1日，相关论文在线发表在国际著名学术期刊《科学》（Science）上。该研究为弹性应变工程及单晶金刚石器件的应用提供基础性和颠覆性解决方案，展现了“应变金刚石“在光子学、电子学和量子信息技术中的巨大应用潜力。

研究成果以“微纳金刚石单晶的超大均匀拉伸弹性”（Achieving large uniform tensile elasticity in microfabricated diamond）为题，其中哈尔滨工业大学韩杰才院士团队的朱嘉琦教授、青年教师代兵分别为共同通讯作者（陆洋、李巨、朱嘉琦、Alice Hu）和共同第一作者（党超群、Jyh-Pin Chou、代兵、Chang-Ti Chou），哈尔滨工业大学为共同通讯作者和共同第一作者单位。

据论文作者之一、哈工大航天学院朱嘉琦教授介绍，金刚石具有高硬度、超宽带隙、出色的载流子迁移率和优异的导热性能，是实现“后摩尔”时代电子、光电子和量子芯片的基础性材料之一，目前最大的技术障碍在于实现带隙的有效调控。由于金刚石结构紧凑，常规的N型掺杂目前进展缓慢。2018年陆洋团队首次报道纳米级金刚石针可具有超大的弹性变形，局部弯曲弹性应变达到9％以上，提供了调节金刚石能带的另一种可能。但上述应变尝试往往局限于小样本体积内，而弯曲导致应变分布不均匀。因此，在晶圆级、微米尺度样品中实现大而均匀弹性应变，以充分利用深弹性应变工程进行金刚石器件级的大规模集成加工将更加具有应用价值和工程意义。

本次研究在室温下沿[100]，[101]和[111]方向对长度约1微米，宽度约100-300纳米的高质量单晶金刚石桥结构进行了精细微加工，并在单轴拉伸载荷下实现了样品整体范围内的均匀超大弹性应变。同时，为了展示应变金刚石器件的概念，团队还加工并实现了微桥金刚石阵列的弹性应变。并进一步通过计算可实现单晶金刚石多达2eV的带隙降低，极其有利于微电子应用。

图为应变微桥金刚石阵列器件概念图（来源：香港城市大学）

香港城市大学陆洋团队长期从事对包括硅和金刚石在内的“共价晶体“的微纳米力学研究，并探索弹性应变工程及其对半导体工业应用的促进和发展。

哈尔滨工业大学韩杰才院士、朱嘉琦教授团队长期从事大尺寸单晶金刚石、器件及装备技术研究，在英寸级单晶金刚石、金刚石增强导热器件、日盲紫外探测、核素电池等方面取得阶段性进展。

沿[101]方向的装卸拉伸实验

[100]，[101]和[111]取向金刚石的统计拉伸结果

文中图片由受访者供图

编辑：张爽

审核：朱丽