十年磨劍，實現2英寸單晶金剛石電子器件量產

作為第三代半導體材料的代表，金剛石半導體又被稱為終極半導體。

“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，以及優異的器件品質因子。” 西安交通大學王宏興教授介紹，“為此，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展起到重要作用。”

但是，全世界金剛石電子器件的發展都受限于大尺寸、高質量的單晶襯底的難題限制。

“硅、藍寶石等襯底的商業化，為異質外延單晶金剛石提供了前提條件。” 王宏興說。

近日，西安交通大學王宏興教授團隊采用自主研發技術，成功實現2英寸異質外延單晶金剛石自支撐襯底的量產。

10年前，我國在此方面的研發幾乎是空白，2013年作為西安交大引進的國家級特聘專家人才王宏興組建西安交大寬禁帶半導體材料與器件研究中心，帶領團隊科研人員開始攻關，歷經10年潛心研發，目前已形成具有自主知識產權的金剛石半導體外延設備研發、單晶/多晶襯底生長、電子器件研制等系列技術，已獲授權48項發明專利。

“大尺寸單晶金剛石生產設備和高質量單晶金剛石襯底的制備技術，是我們需要攻克的關鍵技術，以打破國外的封鎖。” 王宏興如是說。

王宏興帶領團隊在實驗室研發攻關的同時還與國內相關大型通信公司、中國電子科技集團相關研究所等開展金剛石半導體材料與器件研發應用的廣泛合作，促進了金剛石射頻功率電子器件、電力電子器件、MEMS等器件的實用性發展。

王宏興團隊采用微波等離子體化學氣相沉積（MPCVD）技術，成功實現2英寸異質外延單晶金剛石自支撐襯底的批量化，并通過對成膜均勻性、溫場及流場的有效調控，進而提高了異質外延單晶金剛石成品率。其襯底表面具有臺階流（step-flow）生長模式，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91arcsec和111arcsec，各項指標已經優于國外最好的水平達到世界領先水平。

據了解，王宏興團隊生產的單晶金剛石器件已經廣泛應用于我國5G通訊、高頻大功率探測裝置產品中。

                         王宏興教授（右三）與團隊成員在討論研發中的問題。

                             2英寸異質外延單晶金剛石自支撐襯底照片。

              異質外延金剛石光學顯微鏡照片（a）放大100倍（b）放大500倍。

  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。圖片均由受訪者提供