金刚石因其超宽禁带、高击穿场强、高载流子迁移率及出色热导率，被视为高频、大功率、高温及抗辐射器件的理想材料。在所有晶体取向中，(110)晶面因在氢终端和n型掺杂电子器件中的独特优势而备受关注，但其同质外延生长研究却长期处于空白。

       近日，西安电子科技大学郝跃院士团队张进成教授、张金风教授在国际知名期刊《Applied Surface Science》上发表了题为“Expansion growth of <110>-oriented single crystal diamond”的研究成果，成功制备出扩大化生长的高质量（110）金刚石单晶，并首次揭示其生长机理，为金刚石半导体材料与器件制备开辟了新路径。

       一、优化生长条件，提升晶体质量

       研究团队利用微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）系统，通过调控甲烷浓度（2% - 6%）并引入0.5%氧气，成功优化了（110）金刚石的生长条件。实验表明，在4%甲烷浓度下，生长速率可达16.6微米/小时，虽然略低于纯甲烷环境，但氧气的引入有效抑制了石墨相生成，提升了晶体质量。拉曼光谱显示应力降低，光致发光（PL）光谱中氮相关缺陷峰显著减弱。

图1 不同甲烷浓度以及附加氧气条件下样品的表面形貌

图2 不同甲烷浓度以及附加氧气条件下样品的Raman & PL光谱图

       二、发现双基团机制，揭示各向异性生长

       团队首次在（110）金刚石外延中观察到CH与C2基团的协同作用。在低甲烷浓度下，C2基团主导反应；高浓度时，CH基团作用增强。这种双基团机制使（110）生长速率达到（100）取向的两倍，为理解金刚石各向异性生长提供了关键理论支撑。

图3 （110）金刚石生长过程中表面反应机理和光谱图

图4 不同甲烷浓度以及附加氧气条件下样品的SEM、AFM图片

       三、揭示几何演变规律，实现扩大化生长

       在长达100小时的厚外延生长中，团队揭示了（110）金刚石独特的几何演变规律。初期，晶体顶面从5毫米×5毫米扩展至7.03毫米×8.12毫米，随后因（100）晶面快速侧向生长，顶面形成沿<100>方向的脊状结构，最终演变为类似“火山口”形貌，最大厚度达3.1毫米。在晶体最大横截面附近切割后获得的1毫米厚（110）金刚石单晶片有效面积较衬底提升75%。

图5 厚外延过程中的（110）金刚石晶体演变示意图以及切割得到的扩大化衬底图片

       四、降低位错密度，提供新制备策略

       通过X射线衍射（XRD）摇摆曲线分析，外延层在（110）、（100）、（111）方向上的半高宽（FWHM）较衬底均降低约1/3，表明位错密度显著下降。拉曼光谱显示，扩大生长区域呈现压应力特征，而中心垂直生长区域因继承衬底缺陷及多晶面协同生长，缺陷密度更高。这一发现揭示了以（100）晶面为主的侧向扩展可有效抑制缺陷传播，为高质量单晶制备提供了新策略。

图6 扩大化（110）金刚石单晶外延片（S5-1）的XRD摇摆曲线和Raman&PL光谱图

       五、迈向应用开发，推动规模化应用

       该成果首次揭示了（110）金刚石厚单晶多晶面协同外延的生长机理，实现了（110）金刚石的扩大化生长，填补了（110）金刚石外延生长研究的空白，标志着（110）金刚石从基础研究迈向应用开发的关键一步。未来，通过优化生长参数、引入新型衬底结构，有望进一步扩大单晶尺寸、降低生产成本，推动金刚石在5G通信、航天器件、量子计算等战略领域的规模化应用。

       该研究得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金创新群体/杰青/重点/面上项目、中国博士后科学基金等项目的资助。

       文章整理自宽禁带半导体技术创新联盟相关论文