7月26日，第二十三屆中國(guó)專(zhuān)利獎(jiǎng)評(píng)選結(jié)果揭曉，我團(tuán)隊(duì)“一種同質(zhì)外延生長(zhǎng)單晶金剛石的籽晶襯底真空釬焊方法”榮獲金獎(jiǎng)（專(zhuān)利號(hào)：ZL201510459097.7，發(fā)明人：朱嘉琦、代兵、趙繼文、舒國(guó)陽(yáng)、劉康、楊磊、韓杰才、王強(qiáng)、王楊、陳亞男、孫明琪）。此次殊榮，獲得了杜善義院士、韓杰才院士、林尚揚(yáng)院士三位先生的推薦，是紅外薄膜與晶體團(tuán)隊(duì)0到1的突破，哈爾濱工業(yè)大學(xué)作為唯一專(zhuān)利權(quán)人，時(shí)隔3年再次榮獲中國(guó)專(zhuān)利金獎(jiǎng)。

       近年培育鉆石行業(yè)迎來(lái)爆發(fā)，金剛石材料產(chǎn)業(yè)進(jìn)入大眾視野。哈爾濱工業(yè)大學(xué)韓杰才院士提出金剛石裝備國(guó)產(chǎn)化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展要求后，紅外薄膜與晶體團(tuán)隊(duì)耕耘十余載，先后攻克了國(guó)產(chǎn)化微波等離子體化學(xué)氣相沉積裝備、大尺寸高導(dǎo)熱金剛石生長(zhǎng)工藝以及金剛石在高端應(yīng)用領(lǐng)域的多項(xiàng)難題，形成了包含裝備、工藝、應(yīng)用三大板塊50余項(xiàng)專(zhuān)利組成的專(zhuān)利群，突破國(guó)際封鎖，實(shí)現(xiàn)設(shè)備自主可控。

       本專(zhuān)利為金剛石生長(zhǎng)核心專(zhuān)利，針對(duì)其生長(zhǎng)過(guò)程中“連不住，放不穩(wěn)，測(cè)不準(zhǔn)”的連接困難，控溫不穩(wěn)難題，通過(guò)創(chuàng)造性的“真空原位焊接”解決了行業(yè)共性難題，實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定金剛石生長(zhǎng)過(guò)程連接，在保持金剛石最優(yōu)生長(zhǎng)溫度區(qū)間的同時(shí)提高了生長(zhǎng)氣壓，提升了生長(zhǎng)速度及產(chǎn)品質(zhì)量，降低了后期加工的人力成本。制備金剛石生長(zhǎng)速度突破100μm/h，熱導(dǎo)率超2400W/m·K[1]，達(dá)國(guó)際先進(jìn)水平。產(chǎn)品應(yīng)用于通訊基站、中國(guó)電科雷達(dá)組件、探測(cè)器等高端領(lǐng)域，解決了行業(yè)共性難題，推進(jìn)金剛石產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。作為全球最大人造金剛石生產(chǎn)國(guó)，數(shù)據(jù)顯示，2020年我國(guó)人造金剛石產(chǎn)量為207億克拉，較2015年增加51億克拉，占全球90%以上。隨著CVD（化學(xué)氣相沉積）法的發(fā)展，人造金剛石已經(jīng)可與天然鉆石相媲美甚至在橫向面積、純度等方面更占優(yōu)勢(shì)，為金剛石的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用帶來(lái)新希望。

       制備設(shè)備是晶體生長(zhǎng)的基礎(chǔ)，而金剛石生長(zhǎng)裝備卻被國(guó)外“瓦森納協(xié)定”封鎖，課題組從零開(kāi)始，完成了微波源適配、腔體設(shè)計(jì)優(yōu)化、系統(tǒng)集成等工作，實(shí)現(xiàn)大面積高密度均勻自持微波等離子體穩(wěn)定激發(fā)，研制出功率頻率穩(wěn)定、能量密度高、長(zhǎng)時(shí)可靠運(yùn)行等金剛石晶體微波CVD裝備。實(shí)現(xiàn)了自研生長(zhǎng)裝備從無(wú)到有的發(fā)展，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，通過(guò)新產(chǎn)品鑒定，部分指標(biāo)達(dá)國(guó)際領(lǐng)先，對(duì)我國(guó)人造金剛石產(chǎn)業(yè)升級(jí)及下一代半導(dǎo)體領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)彎道超車(chē)有著重要作用。

       同時(shí)建立了匹配設(shè)備的金剛石生長(zhǎng)工藝體系，實(shí)現(xiàn)金剛石籽晶缺陷原位修復(fù)，發(fā)明功率-氣壓-溫度耦合調(diào)控強(qiáng)化沉積等離子體的方法，提出大尺寸金剛石同質(zhì)連接控溫及三維模板單晶有序結(jié)構(gòu)合成的方法。采用自研設(shè)備配套晶體生長(zhǎng)工藝，獲得超高熱導(dǎo)率高品質(zhì)大厚度金剛石單晶，熱導(dǎo)率突破2400W/m·K，協(xié)同實(shí)現(xiàn)了金剛石高品質(zhì)及高速率兩個(gè)關(guān)鍵要素。其中核心專(zhuān)利“一種同質(zhì)外延生長(zhǎng)單晶金剛石的籽晶襯底真空釬焊方法”解決了金剛石生長(zhǎng)過(guò)程中的行業(yè)共性難題，降低成本，推進(jìn)了金剛石產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

       在應(yīng)用方面，項(xiàng)目組解決了限制金剛石材料在應(yīng)用過(guò)程中的諸多難題，實(shí)現(xiàn)了第三代半導(dǎo)體材料與金剛石的有效結(jié)合，在氮化鎵器件表面低溫原位合成大面積連續(xù)均勻高導(dǎo)熱金剛石鈍化層，顯著改善了器件散熱性能，大幅提高電流密度。發(fā)明了大面積粗糙界面的低溫高強(qiáng)低熱阻鍵合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了器件到組件級(jí)跨尺度的快速連接方法，通過(guò)了溫循、高低溫和熱阻等應(yīng)用驗(yàn)證，為金剛石晶圓級(jí)散熱應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

       同時(shí)，作為“終極半導(dǎo)體”，在金剛石器件方面，團(tuán)隊(duì)提出了多種新理論及方法，優(yōu)化了金剛石界面載流子傳輸能帶[2]，獲得了金剛石雪崩探測(cè)器[3]、高開(kāi)路電壓同位素電池器件[4]、高信噪比自供能式日盲紫外探測(cè)器、金剛石肖特基與門(mén)原型邏輯電路等高性能器件[5]，具有三代半導(dǎo)體不具備的抗輻照與高穩(wěn)定性，其中雪崩探測(cè)陣列通過(guò)了合作單位的應(yīng)用驗(yàn)證測(cè)試，為金剛石器件在深空探測(cè)，高超聲速預(yù)警等方面的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

       參考文獻(xiàn)：

       [1] Ralchenko V G, Inyushkin A V, Shu G, et al. Thermal Conductivity of Diamond Mosaic Crystals Grown by Chemical Vapor Deposition: Thermal Resistance of Junctions[J]. Physical Review Applied, 2021, 16(1): 014049.

       [2] Kang Liu, Sen Zhang, Benjian Liu, Mingqi Sun,Jiwen Zhao, Weihua Wang, Jingjing Xue, Minghao Bi, Guoyang Shu, Kaili Yao, Ge Gao, Yicun Li, Zhenhua Su, Lei Yang, Dzmitry Dzmitrovich, Jiecai Han, Bing Dai, Jiaqi Zhu. Impact of positive space charge depletion layer on negatively charged and neutral centers in gold–diamond Schottky junction. Carbon. 2019, 153, 381-388.

       [3] Liu K, Dai B, Ralchenko V, et al. Single crystal diamond UV detector with a groove-shaped electrode structure and enhanced sensitivity[J]. Sensors and Actuators A: Physical, 2017, 259: 121-126.

       [4] Liu Benjian, Liu Kang, Jiwen Zhao, Han Jiecai, Zhu Jiaqi, Dai Bing, et al. "Enhanced performance of diamond Schottky nuclear batteries by using ZnO as electron transport layer." Diamond and Related Materials 109 (2020): 108026.DOI:10.1016/j.diamond.2020.108026[5] Liu B, Zhang S, Ralchenko V, et al. High temperature operation of logic AND gate based on diamond Schottky diodes fabricated by selective growth method[J]. Carbon, 2022.

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