港大研製 5 英吋超硬鑽石晶圓　硬度達 200 GPa 開拓半導體材料新方向

香港文匯報訊（記者 楊梓穎）由香港大學工程學院副院長（內地事務）陸洋聯同北京科技大學新材料技術研究院教授李成明共同領導的研究團隊，近日成功研製出直徑達 5 英吋的超硬鑽石晶圓。該晶圓厚度僅 3 毫米，硬度超過 200 GPa，較傳統人造金剛石提升一倍，標誌着半導體材料技術取得重大突破，亦為超硬鑽石於精密加工、半導體技術及航空航天工程等高規格應用領域的發展，奠定重要基礎。有關研究成果已發表於國際學術期刊《自然—通訊》。

鑽石（金剛石）一直被視為半導體材料的「終極形態」。相較於硅與碳化硅等傳統半導體材料，鑽石在導熱能力及耐輻射性能方面具有明顯優勢。然而，傳統高溫高壓（HPHT）與化學氣相沉積（CVD）技術，長期以來均難以同時兼顧大尺寸製備與高硬度，成為限制鑽石半導體應用發展的技術瓶頸。

為克服上述挑戰，研究團隊創新採用「微波等離子體化學氣相沉積」（MPCVD）技術，並配合高頻循環脈衝氮摻雜工藝，在金剛石生長過程中構建動態非平衡環境，成功實現英寸級超硬晶圓製備的關鍵突破。

研究團隊透過在等離子體中以高頻方式交替加入氮源，使等離子體活性基團的組成及生長溫度在極短時間內持續波動，從而打破傳統穩定生長模式的限制。這種動態調控機制不但強化了材料表面的重構與缺陷過程，亦有效促進特殊微觀結構形成。新技術使金剛石在維持高純度與高緻密度的同時，為超大尺寸超硬材料的規模化生長開闢出新的技術路徑。

測試結果顯示，該超硬鑽石晶圓的耐磨性達普通多晶金剛石的 7 倍，維氏硬度最高可達 208.3 GPa，為常規金剛石的 2 倍，甚至可在單晶金剛石表面留下清晰劃痕，顯示其極高硬度與優異機械性能。

透過高倍電子顯微鏡分析，團隊發現晶圓內部形成了密度高達 4.3×10¹² cm⁻² 的三維互鎖堆垛層錯網絡結構，有效抑制位錯運動。摻氮生長技術亦適用於複雜三維結構表面，可直接運用於刀具與機械元件上，為高端現代電子工業提供新的材料方案。

陸洋表示，這項大尺寸超硬鑽石晶圓的突破，將為金剛石在極端環境探測、先進製造業及半導體熱管理等領域的應用打開新局面。研究團隊期望，這項新技術可為第三代及第四代半導體材料發展注入強心針。