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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(rèn)為是后摩爾時(shí)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(jià)格昂貴,極大地阻礙了金剛石的發(fā)展。歷經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間的探索,異質(zhì)外延生長(zhǎng)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(tuán)隊(duì)采用微波等離子體化學(xué)氣相沉積（MPCVD）技術(shù)，成功實(shí)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(guò)對(duì)成膜均勻性、溫場(chǎng)及流場(chǎng)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(tái)階流（step-flow）生長(zhǎng)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(dá)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(cè)試結(jié)果（a）（004）面搖擺曲線；（b）（311）面搖擺曲線；（c）（311）面四重對(duì)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(shí)現(xiàn)異質(zhì)外延單晶金剛石的生長(zhǎng)。與傳統(tǒng)的制備方法相比，該方法具有更高的生長(zhǎng)速率和更低的成本，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。進(jìn)而有效保證國(guó)內(nèi)功率電子器件、導(dǎo)熱、雷達(dá)探測(cè)等領(lǐng)域?qū)τ诟哔|(zhì)量、大尺寸電子級(jí)單晶金剛石的需求，同時(shí)滿足院?？蒲袑?duì)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(guó)外技術(shù)壟斷，降低了國(guó)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(shí)，該成果的推廣應(yīng)用也將帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，我們期待著這一技術(shù)在未來(lái)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(shí)驗(yàn)室主任為國(guó)家級(jí)特聘專家王宏興教授。實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過(guò)近10年的發(fā)展，已形成具有自主知識(shí)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(zhǎng)、電子器件研制等系列技術(shù)，已獲授權(quán)48項(xiàng)專利。與國(guó)內(nèi)相關(guān)大型通信公司，中國(guó)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(jìn)了金剛石射頻功率電子器件、電力電子器件、MEMS等器件的實(shí)用性發(fā)展。

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