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       相較于傳統(tǒng)的硅材料,寬禁帶半導(dǎo)體材料更適合制作高壓、高頻、高功率的半導(dǎo)體器件,被認為是后摩爾時代材料創(chuàng)新的關(guān)鍵角色。單晶金剛石擁有大禁帶寬度、高熱導(dǎo)率、高遷移率等優(yōu)異特性,更是下一代大功率、高頻電子器件的理想半導(dǎo)體材料。然而由于可獲得單晶金剛石的尺寸較小,且價格昂貴,極大地阻礙了金剛石的發(fā)展。歷經(jīng)長時間的探索,異質(zhì)外延生長技術(shù)成為了獲得高質(zhì)量、大面積單晶金剛石的有效手段。     

       近日，西安交通大學(xué)研究團隊采用微波等離子體化學(xué)氣相沉積（MPCVD）技術(shù)，成功實現(xiàn)2英寸異質(zhì)外延單晶金剛石自支撐襯底的批量化（如上圖所示）。通過對成膜均勻性、溫場及流場的有效調(diào)控，提高了異質(zhì)外延單晶金剛石成品率。襯底表面具有臺階流（step-flow）生長模式（如下圖所示），可降低襯底的缺陷密度，提高晶體質(zhì)量。XRD（004）、（311）搖擺曲線半峰寬分別小于91 arcsec和111 arcsec（如下圖所示），達到世界領(lǐng)先水平。

圖：異質(zhì)外延金剛石光學(xué)顯微鏡照片（a）放大100倍（b）放大500倍F

圖：XRD測試結(jié)果（a）（004）面搖擺曲線；（b）（311）面搖擺曲線；（c）（311）面四重對稱；（d）極

       該方法利用微波等離子體激發(fā)反應(yīng)氣體，在較低的溫度和壓力下實現(xiàn)異質(zhì)外延單晶金剛石的生長。與傳統(tǒng)的制備方法相比，該方法具有更高的生長速率和更低的成本，同時能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。進而有效保證國內(nèi)功率電子器件、導(dǎo)熱、雷達探測等領(lǐng)域?qū)τ诟哔|(zhì)量、大尺寸電子級單晶金剛石的需求，同時滿足院校科研對高質(zhì)量晶種的需求。

       值得一提的是，此次研究成果的產(chǎn)業(yè)化打破了國外技術(shù)壟斷，降低了國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)成本，且應(yīng)用前景十分廣闊。隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)的快速發(fā)展，金剛石在電子、光子、量子等領(lǐng)域的應(yīng)用需求不斷增加。而異質(zhì)外延單晶金剛石襯底的量產(chǎn)，將為相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供更加穩(wěn)定、可靠的原材料支持。同時，該成果的推廣應(yīng)用也將帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，促進我國經(jīng)濟的轉(zhuǎn)型升級，我們期待著這一技術(shù)在未來的更多應(yīng)用和突破。

       西安交大寬禁帶半導(dǎo)體材料與器件研究中心于2013年建立，實驗室主任為國家級特聘專家王宏興教授。實驗室經(jīng)過近10年的發(fā)展，已形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的金剛石半導(dǎo)體外延設(shè)備研發(fā)、單晶/多晶襯底生長、電子器件研制等系列技術(shù)，已獲授權(quán)48項專利。與國內(nèi)相關(guān)大型通信公司，中國電科相關(guān)研究所等開展金剛石半導(dǎo)體材料與器件的廣泛合作，促進了金剛石射頻功率電子器件、電力電子器件、MEMS等器件的實用性發(fā)展。

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