西安交大实现2英寸异质外延单晶金刚石自支撑衬底量产

近日，根据西安交大官网信息，该大学王宏兴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），达到世界领先水平。

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（22 W/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。金刚石半导体被公认为是最具前景的新型半导体材料，被业界誉为“终极半导体材料”。

不过，金刚石半导体虽然有优点诸多，但由于其极高的硬度，在制造时难度非常大。金刚石半导体广泛商用目前存在几大难题，其中之一便是“缺乏大尺寸金刚石衬底，阻碍了大尺寸金刚石的生长”。通过将小尺寸衬底拼接，虽然可以制备出大尺寸单晶，但在拼接处存在缺陷，影响金刚石膜的质量。

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。

欧盟投入资金推动化学气相沉积方法（CVD）在氮化镓（GaN）器件背面生长金刚石。随后美国国防部高级研究计划局、海军研究办公室等投入大量资金，但由于价格高昂，使得金刚石衬底的氮化镓器件的应用被限制在国防和航天等领域。

然而，西安交大研究团队通过对成膜均匀性、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91arcsec和111arcsec（如图三所示）。

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

值得一提的是，2023年11月，华为与哈工大联合申请的专利《一种基于硅和金刚石的三维集成芯片的混合键合方法》，引发市场关注。专利摘要显示，该发明涉及芯片制造技术领域，实现了以Cu/SiO2混合键合为基础的硅/金刚石三维异质集成。这一联合专利还曾引爆A股市场，多个概念股大幅上涨。

据悉，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。