节能减排、智能制造、高频通信、深空探测等国家重大战略对金刚石等超高导热材料提出了迫切需求，并随着"新基建"、"碳中和"等牵引性国家工程的逐步实施，高频电子装备、5G通信、物联网、超算及数据中心等战略新兴行业的应用数量骤增，而随之带来整体功耗呈指数级增长，器件散热成为限制关键性应用的最大瓶颈。与上述重大战略需求相呼应，单晶金刚石作为宽禁带半导体材料科学发展方向上的重要节点，也提出了大尺寸、高性能尤其是超高导热的迫切需求。因此，开展以超高导热为突破点的金刚石材料的基础和应用研究，有助于准确把握行业机遇窗口和国家科技战略实施。 具体而言，高热耗器件及装备一般具有高热流密度、热点突出、界面热阻大等问题，需要金刚石材料具有超高导热、器件兼容、高可靠性等性能，同时由于"瓦森纳协定"等限制，对自主知识产权的装备和工艺要求更加紧迫。因此，本项目针对大功率微波化学气相沉积(MPCVD)装备的多模谐振腔及一体化实现、大面积高密度自持等离子体形成、超高导热金刚石与跨尺度导热网络协同调控、器件兼容的低温金刚石钝化实现、金刚石精细加工及高可靠异质连接等基础科学问题及关键技术瓶颈开展研究，形成"装备-工艺-材料-器件-应用"的全链条技术成果，解决基础科学和行业发展的难题，支撑国家科技战略和重大工程的实施，为抢占未来产业发展制高点和重塑国际产业格局奠定基础。 本项目在科技部重点研发计划、重大预研、国家自然科学基金等项目的持续资助下，获得了多模谐振新模式以及散热与微波传输一体化结构，实现了高密度大面积均匀稳定等离子体长时稳定激发及单晶金刚石生长速率成倍提升；发明了氢等离子体多次刻蚀/退火循环工艺及功率-气压-温度耦合方法，实现了高品质高导热金刚石生长及性能调控，单晶金刚石热导率可达2400W/m·K以上；发明了异种电位自组装异质表面金刚石形核及无损伤氮化镓器件表面合成金刚石钝化层的工艺方法，获得了从单晶到纳米晶金刚石全尺度可控制备的方法，并大幅降低了金刚石与异质材料的界面热阻；发明了激光波长可调的金刚石冷加工及低温金刚石与异质材料的大面积高效键合方法，实现了器件/组件级强结合，完成温循、高低温和热阻测试等应用验证。在Science、Advanced Materials、Carbon等期刊发表学术论文40余篇，获得授权发明专利24项，申请发明专利12项，形成"装备-工艺-材料-器件-应用"全链条技术体系和成果，具有完全自主知识产权。

哈尔滨工业大学

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