近期，香港城市大学陆洋教授课题组系统总结并展望了金刚石（人造钻石）的半导体应用潜力及其在微纳尺度下“弹性应变工程”所带来的新机遇。文章综述了学术界与业界基于金刚石实验建模和构建的高压开关二极管、大功率高频场效应晶体管、微/纳机电系统以及在高温下工作的器件等多方面的努力，讨论了解决金刚石器件规模化应用的一些积极进展，并强调高质量化学气相沉积（CVD）大尺寸单晶金刚石薄膜的制备需求以及电子级应用下单晶金刚石掺杂的挑战。更进一步展示了课题组近年来通过积极利用微加工以及微纳尺度效应所带来的“弹性应变工程”策略调控金刚石电子和光电特性的新的潜在解决方案，有望为未来发展基于单晶金刚石的微电子和光电器件应用提供全新的角度和启发。

近年来，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。金刚石，作为一种超宽带隙半导体，与传统半导体相比因具有超高载流子迁移率、热导率、低热膨胀系数和超高击穿电压等诸多优势，成为下一代微电子和光子学的理想材料。然而，金刚石在实际应用于下一代电子产品也面临着各种挑战。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。金刚石晶圆的生产存在缺陷，且无法实现大面积晶圆生长。虽然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，但是缺陷仍然必须进一步被最小化。同时，均质外延生长金刚石的尺寸也在增加。因此，在不久的将来，通过更新制造设备和改进同质/异质外延生长技术，可以实现大面积、高质量金刚石晶圆的制造。

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，并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。另一方面，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。如今随着微纳米技术的发展，2018年首次报道在金刚石纳米结构中实现超大的弹性应变（Science 360 (6386), 300-302, 2018），后续通过第一性原理的理论计算预测了超大弹性应变能够改变金刚石的带隙。最近，研究者进一步展示了通过微加工块体单晶金刚石得到微阵列结构，并通过纯力学加载实现了超大、均匀的全局弹性应变（Science 371 (6524), 76-78, 2021），这使得金刚石的“深度弹性应变工程”成为可能。理论上，当施加极端的应变值时，甚至有可能在金刚石中实现“金属化”，甚至通过复合压缩-剪切变形金刚石甚至可变成超导体，这些令人激动的理论预测为开发未来基于“应变金刚石”的新型光电甚至量子器件开启了可能性。

作为目前极为受到瞩目的量子材料，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。

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。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“碳基半导体”的有别于石墨烯和碳纳米管的另一条潜在赛道的“弯道超车”。

图1. 代表性的金刚石功能器件。（a, b）金刚石肖特基二极管的照片和原理图；（c）金刚石肖特基二极管用于具有高温关断功能的金属/陶瓷器件；（d）金刚石肖特基二极管在50，150和250 ℃下的开关特性；（e）金刚石金属-氧化物半导体场效应晶体管顶视图和横截面示意图。S、D和G分别代表源极、漏极和栅极触点；（f）室温下金刚石金属-氧化物半导体场效应晶体管的漏极电流与漏极电压的关系图；（g）硅基底上具有多个悬臂的金刚石器件的扫描电子显微照片；（h）聚焦光栅耦合器的扫描电子显微图像；（i）电光机械装置中独立的金刚石谐振器的扫描电子显微图像。

图2. 新型金刚石的制备和进展。（a）微波等离子体辅助CVD法在70个3.5 × 3.5 mm2 HPHT籽晶上生长单晶金刚石；（b）CVD法水平连接的马赛克晶圆（40 × 40 mm2）；（c）通过微波等离子体CVD法在Ir/YSZ/Si（001）基底上异质外延法生长的一个155克拉的单晶金刚石，厚度为1.6 ± 0.25 mm，直径为90 mm；（d）一种高温高压下制备的硬度可与金刚石相媲美、具有半导体性质（带隙为1.5-2.2 eV）的无定形碳材料。

图3. 单晶金刚石的“弹性应变工程”。（a-c）金刚石纳米针"推转弯"的变形示意图、断裂之前的最大变形图和相应的有限元模拟再现了纳米针弯曲的几何形状显示了局部弹性最大主应变；（d）沿[100]方向对FIB加工的单晶金刚石纳米针进行"压转弯"的变形试验、断裂前的最大弯曲变形图和相应的有限元模拟复制了纳米针的形状和最大主应变的分布；（e, f）金刚石桥的单轴拉伸装置、加载-卸载试验和相应的有限元模拟再现了金刚石桥弹性应变的纵向分布；（g）具有多个桥的金刚石阵列的拉伸变形同步达到最大6%的拉伸应变；（h）金刚石带隙扩展至半导体区域；（i）ε11-ε22应变空间显示了直接带隙应变区域（蓝色）内的直接金属应变区域（棕色）和非零间接带隙应变区域（红色符号的白色区域）的间接金属应变区域（棕色）；（j）随着压缩-剪切应变渐增大，金刚石的带隙演化出的半导电、导电和超导的三个阶段，以及在选定的库仑赝势μ*范围内临界温度Tc与应变的关系图。

Diamond semiconductor and elastic strain engineering

Chaoqun Dang, Anliang Lu, Heyi Wang, Hongti Zhang and Yang Lu

J. Semicond. 2022, 43(2): 021801.

doi: 10.1088/1674-4926/43/2/021801.

Full Text: http://www.jos.ac.cn/article/doi/10.1088/1674-4926/43/2/021801%20?pageType=en

来源：半导体学报公众号