西电团队揭示(110)晶面单晶金刚石扩大生长机理,为半导体应用开辟新路径

关键词 金刚石|2025-06-18 11:01:32|来源 中国超硬材料网
摘要 ​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......

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。

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       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。

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图1 不同甲烷浓度以及附加氧气条件下样品的表面形貌

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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。

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图3 (110)金刚石生长过程中表面反应机理和光谱图

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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%。

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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。

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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


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