西電郝躍院士、張進(jìn)成教授團(tuán)隊(duì)揭示（110）晶面單晶金剛石擴(kuò)大生長機(jī)理

金剛石作為超寬禁帶半導(dǎo)體的典型代表，因其超寬禁帶、高擊穿場強(qiáng)、高載流子遷移率及出色的熱導(dǎo)率等特性，成為高頻、大功率、高溫及抗輻射器件的理想材料。其中，（110）單晶金剛石在氫終端以及n型摻雜的電子器件應(yīng)用中展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢，但基于（110）單晶金剛石襯底的同質(zhì)外延生長研究長期處于空白。

近日，西安電子科技大學(xué)寬禁帶半導(dǎo)體器件與集成技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室郝躍院士團(tuán)隊(duì)張進(jìn)成教授、張金風(fēng)教授在國際知名期刊《Applied Surface Science》上發(fā)表了題為"Expansion growth of <110>-oriented single crystal diamond”的最新研究成果，成功制備了擴(kuò)大化生長的高質(zhì)量（110）金剛石單晶，并首次揭示了其生長機(jī)理，為金剛石半導(dǎo)體材料與器件制備開辟了全新路徑。該成果以西安電子科技大學(xué)為第一完成單位，任澤陽副教授為論文第一作者，碩士研究生王超玥為第二作者，張金風(fēng)教授和張進(jìn)成教授為論文共同通訊作者。

研究團(tuán)隊(duì)通過MPCVD系統(tǒng)調(diào)控甲烷濃度（2%-6%）與引入 0.5% 氧氣，成功優(yōu)化（110）金剛石的生長條件。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，4% 甲烷濃度下生長速率達(dá) 16.6 μm/h，雖略低于純甲烷環(huán)境，但氧氣的引入有效抑制了石墨相生成，提升了晶體質(zhì)量。拉曼光譜顯示應(yīng)力降低，PL 光譜中氮相關(guān)缺陷峰顯著減弱。

此外，團(tuán)隊(duì)首次在（110）金剛石外延中觀察到 CH 與 C₂基團(tuán)的協(xié)同作用。低甲烷濃度下 C₂基團(tuán)主導(dǎo)反應(yīng)，高濃度時(shí) CH 基團(tuán)增強(qiáng)，這種雙基團(tuán)機(jī)制使（110）生長速率達(dá)到（100）取向的兩倍，為理解金剛石各向異性生長提供了關(guān)鍵理論支撐。

圖3 （110）金剛石生長過程中表面反應(yīng)機(jī)理和光譜圖

圖4 不同甲烷濃度以及附加氧氣條件下樣品的SEM、AFM圖片

在長達(dá) 100 小時(shí)的厚外延生長中，團(tuán)隊(duì)揭示了獨(dú)特的幾何演變規(guī)律：（110）頂面的生長微觀上由（100）和（111）小面主導(dǎo)，宏觀上形成 “先擴(kuò)展后收縮” 的動(dòng)態(tài)過程。初期，晶體頂面從 5 mm×5 mm 擴(kuò)展至 7.03 mm×8.12 mm，隨后因（100）晶面快速側(cè)向生長，頂面形成沿 < 100 > 方向的脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)，最終演變?yōu)轭愃?“火山口” 形貌，最大厚度達(dá) 3.1 mm。在晶體最大橫截面附近切割后獲得的 1 mm 厚（110）金剛石單晶片有效面積較襯底提升 75%。

圖6 擴(kuò)大化（110）金剛石單晶外延片（S5-1）的XRD搖擺曲線和Raman&PL光譜圖

綜上所述，該成果首次揭示了（110）金剛石厚單晶多晶面協(xié)同外延的生長機(jī)理，實(shí)現(xiàn)（110）金剛石的擴(kuò)大化生長，填補(bǔ)了（110）金剛石外延生長研究的空白，為金剛石半導(dǎo)體的自選擇生長提供了全新方法。這標(biāo)志著（110）金剛石從基礎(chǔ)研究邁向應(yīng)用開發(fā)的關(guān)鍵一步。未來，通過優(yōu)化生長參數(shù)、引入新型襯底結(jié)構(gòu)，有望進(jìn)一步擴(kuò)大單晶尺寸、降低生產(chǎn)成本，推動(dòng)金剛石在 5G 通信、航天器件、量子計(jì)算等戰(zhàn)略領(lǐng)域的規(guī)模化應(yīng)用。

*該研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體/杰青/重點(diǎn)/面上項(xiàng)目、中國博士后科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。