金刚石半导体具有超宽禁带（5.45eV），高击穿场强（10MV/cm）、高载流子饱和漂移速度、高热导率（22W/cmK）等材料特性，以及优异的器件品质因子（Johnson、Keyes、Baliga），采用金刚石衬底可研制高温、高频、大功率、抗辐照电子器件，克服器件的“自热效应”和“雪崩击穿”等技术瓶颈，在5G/6G通信，微波/毫米波集成电路，探测与传感等领域发展起到重要作用。目前，金刚石电子器件的发展受限于大尺寸、高质量的单晶衬底。硅、蓝宝石等衬底的商业化，为异质外延单晶金刚石提供了前提条件。
近日，西安交大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（如图一所示）。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（如图二所示），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（如图三所示），达到世界领先水平。
图一. 2英寸异质外延单晶金刚石自支撑衬底照片
图二. 异质外延金刚石光学显微镜照片（a）放大100倍（b）放大500倍
图三. 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）极图
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。
本文转载自《半导体材料行业分会》微信公众号，原文发布于2024年1月5日。
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