【科技自立自强】西安交大研究团队“2英寸单晶金刚石异质外延自支撑衬底实现国产化”
荣获2024年度中国第三代半导体技术十大进展
金刚石作为一种“终极半导体材料”，在力、热、声、光、电等方面都具有十分优异的性能，如超宽禁带、高载流子迁移率、超高热导率、高击穿电场等，在高温、高效、超高频、超大功率半导体功率器件领域将发挥重要作用，从而成为新一代半导体芯片材料，会极大地推动5G/6G通信、微波/毫米波集成电路、探测与传感等领域的快速发展。金刚石的常见晶面取向有（100）、（110）和（111），其中（100）面金刚石由于其生长速率快、晶体缺陷低从而被广泛研究。此外，（111）面的金刚石掺杂效率更高、表面悬挂键密度更大，也展示出了氢终端金刚石电子器件的巨大潜力。同时由于金刚石具有超高的热导率（22 W/cm·K），可作为高质量GaN材料外延衬底，有效地改善基于GaN基高功率电子器件性能，解决高电子迁移率的自热效应，从而增强器件的输出功率、可靠性以及延长其寿命。
西安交大王宏兴教授研究团队采用微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）技术，历经10年潜心研发，独立自主开发了2英寸异质外延单晶金刚石自支撑衬底，并成功实现批量化（图1）。通过对成膜均匀性、温场、流场及工艺参数的有效调控，实现了衬底表面台阶流（step-flow）生长模式，提高了异质外延单晶金刚石成品率与晶体质量。XRD（004）、（311）摇摆曲线半峰宽分别小于91弧秒和111弧秒，这一创新成果标志着我国在金刚石超宽禁带半导体材料领域的研究已达到国际领先水平，为金刚石的半导体应用奠定了基础。该成果入选了2024年度中国第三代半导体十大进展（图2）。
图1. 2英寸异质外延单晶金刚石自支撑衬底照片
图2. 2英寸单晶金刚石异质外延自支撑衬底实现国产化荣获2024年度中国第三代半导体十大进展
近期，该团队首次在Ir（111）/蓝宝石异质衬底上实现了单晶金刚石（111）面的外延生长，并成功研制了尺寸为20×20×0.5 mm3（1英寸）的（111）取向异质外延单晶金刚石自支撑衬底。SEM、XRD、EBSD（图3）等材料特性表征证明金刚石（111）具有良好的晶体特征，材料质量达到世界领先水平，将为高质量GaN外延奠定良好的衬底基础，推动高功率密度金刚石基GaN基射频电子器件的发展。
图3.单晶金刚石(111)面极图，证明薄膜具有良好的单晶特征
西安交通大学宽禁带半导体材料与器件研究中心于2013年建立，实验室主任为王宏兴教授，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、中国电科等科研院所开展了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器件、电力电子器件、MEMS等器件的实用性发展。
