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）。

图一. 2英寸异质外延单晶金刚石自支撑衬底照片

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），达到世界领先水平。

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

大尺寸衬底是金刚石半导体商业化难点之一。

金刚石作为超宽禁带半导体材料的一员（禁带宽度5.5eV），具有一系列优异的物理和化学性质，如高载流子迁移率、高热导率、高击穿电场、高载流子饱和速率和低介电常数等，这使其在高新科技尖端领域中，特别是电子技术中得到广泛关注，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”。

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。扩大CVD金刚石衬底的晶体尺寸以及实现单晶金刚石的高速生长是制备高质量大尺寸半导体金刚石材料的前提条件。

从2008年开始，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。

正如西安交大介绍，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。

据介绍，西安交大王宏兴团队经过长期科研攻关，独立自主开发了系列具有自主知识产权的单晶金刚石微波等离子体化学气相沉积设备，掌握了有关技术，并已全面完成了原理性创新、实验室试验研究和中试实验，可批量化提供1~2英寸的大面积高质量单晶金刚石衬底。

拓展了解：

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。