金剛石半導體具有超寬禁帶（5.45eV），高擊穿場強（10MV/cm）、高載流子飽和漂移速度、高熱導率（22 W/cmK）等材料特性，以及優(yōu)異的器件品質因子（Johnson、Keyes、Baliga），采用金剛石襯底可研制高溫、高頻、大功率、抗輻照電子器件，克服器件的“自熱效應”和“雪崩擊穿”等技術瓶頸，在5G/6G通信，微波/毫米波集成電路，探測與傳感等領域發(fā)展起到重要作用。目前，金剛石電子器件的發(fā)展受限于大尺寸、高質量的單晶襯底。硅、藍寶石等襯底的商業(yè)化，為異質外延單晶金剛石提供了前提條件。

近日，西安交大研究團隊采用微波等離子體化學氣相沉積（MPCVD）技術，成功實現(xiàn)2英寸異質外延單晶金剛石自支撐襯底的批量化（如圖一所示）。通過對成膜均勻性、溫場及流場的有效調控，提高了異質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（如圖二所示），可降低襯底的缺陷密度，提高晶體質量。XRD（004）、（311）搖擺曲線半峰寬分別小于91 arcsec和111 arcsec（如圖三所示），達到世界領先水平。

圖一. 2英寸異質外延單晶金剛石自支撐襯底照片

圖二. 異質外延金剛石光學顯微鏡照片（a）放大100倍（b）放大500倍.

圖三. XRD測試結果（a）（004）面搖擺曲線；（b）（311）面搖擺曲線；（c）（311）面四重對稱；（d）極圖

西安交大寬禁帶半導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。實驗室經過近10年的發(fā)展，已形成具有自主知識產權的金剛石半導體外延設備研發(fā)、單晶/多晶襯底生長、電子器件研制等系列技術，已獲授權48項專利。與國內相關大型通信公司，中國電科相關研究所等開展金剛石半導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。