相较于传统的硅材料,宽禁带半导体材料更适合制作高压、高频、高功率的半导体器件,被认为是后摩尔时代材料创新的关键角色。单晶金刚石拥有大禁带宽度、高热导率、高迁移率等优异特性,更是下一代大功率、高频电子器件的理想半导体材料。然而由于可获得单晶金刚石的尺寸较小,且价格昂贵,极大地阻碍了金刚石的发展。历经长时间的探索,异质外延生长技术成为了获得高质量、大面积单晶金刚石的有效手段。     

       近日，西安交通大学研究团队采用微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）技术，成功实现2英寸异质外延单晶金刚石自支撑衬底的批量化（如上图所示）。通过对成膜均匀性、温场及流场的有效调控，提高了异质外延单晶金刚石成品率。衬底表面具有台阶流（step-flow）生长模式（如下图所示），可降低衬底的缺陷密度，提高晶体质量。XRD（004）、（311）摇摆曲线半峰宽分别小于91 arcsec和111 arcsec（如下图所示），达到世界领先水平。

图：异质外延金刚石光学显微镜照片（a）放大100倍（b）放大500倍F

图：XRD测试结果（a）（004）面摇摆曲线；（b）（311）面摇摆曲线；（c）（311）面四重对称；（d）极

       该方法利用微波等离子体激发反应气体，在较低的温度和压力下实现异质外延单晶金刚石的生长。与传统的制备方法相比，该方法具有更高的生长速率和更低的成本，同时能够实现大规模生产。进而有效保证国内功率电子器件、导热、雷达探测等领域对于高质量、大尺寸电子级单晶金刚石的需求，同时满足院校科研对高质量晶种的需求。

       值得一提的是，此次研究成果的产业化打破了国外技术垄断，降低了国内相关产业的生产成本，且应用前景十分广阔。随着5G、物联网等新兴技术的快速发展，金刚石在电子、光子、量子等领域的应用需求不断增加。而异质外延单晶金刚石衬底的量产，将为相关产业的发展提供更加稳定、可靠的原材料支持。同时，该成果的推广应用也将带动相关产业链的发展，促进我国经济的转型升级，我们期待着这一技术在未来的更多应用和突破。

       西安交大宽禁带半导体材料与器件研究中心于2013年建立，实验室主任为国家级特聘专家王宏兴教授。实验室经过近10年的发展，已形成具有自主知识产权的金刚石半导体外延设备研发、单晶/多晶衬底生长、电子器件研制等系列技术，已获授权48项专利。与国内相关大型通信公司，中国电科相关研究所等开展金刚石半导体材料与器件的广泛合作，促进了金刚石射频功率电子器件、电力电子器件、MEMS等器件的实用性发展。

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