作者:张行勇,严涛 来源:中国科学报 发布时间:2024/2/26 15:10:16
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十年磨剑,实现2英寸单晶金刚石电子器件量产

 

作为第三代半导体材料的代表,金刚石半导体又被称为终极半导体。

“金刚石半导体具有超宽禁带(5.45eV),高击穿场强(10MV/cm)、高载流子饱和漂移速度、高热导率(22 W/cmK)等材料特性,以及优异的器件品质因子。” 西安交通大学王宏兴教授介绍,“为此,采用金刚石衬底可研制高温、高频、大功率、抗辐照电子器件,克服器件的‘自热效应’和‘雪崩击穿’等技术瓶颈,在5G/6G通信,微波/毫米波集成电路,探测与传感等领域发展起到重要作用。”

但是,全世界金刚石电子器件的发展都受限于大尺寸、高质量的单晶衬底的难题限制。

“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。” 王宏兴说。

近日,西安交通大学王宏兴教授团队采用自主研发技术,成功实现2英寸异质外延单晶金刚石自支撑衬底的量产。

10年前,我国在此方面的研发几乎是空白,2013年作为西安交大引进的国家级特聘专家人才王宏兴组建西安交大宽禁带半导体材料与器件研究中心,带领团队科研人员开始攻关,历经10年潜心研发,目前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项发明专利。

“大尺寸单晶金刚石生产设备和高质量单晶金刚石衬底的制备技术,是我们需要攻克的关键技术,以打破国外的封锁。” 王宏兴如是说。

王宏兴带领团队在实验室研发攻关的同时还与国内相关大型通信公司、中国电子科技集团相关研究所等开展金刚石半导体材料与器件研发应用的广泛合作,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。

王宏兴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,并通过对成膜均匀性、温场及流场的有效调控,进而提高了异质外延单晶金刚石成品率。其衬底表面具有台阶流(step-flow)生长模式,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,各项指标已经优于国外最好的水平达到世界领先水平。

据了解,王宏兴团队生产的单晶金刚石器件已经广泛应用于我国5G通讯、高频大功率探测装置产品中。

                         王宏兴教授(右三)与团队成员在讨论研发中的问题。

                             2英寸异质外延单晶金刚石自支撑衬底照片。

              异质外延金刚石光学显微镜照片(a)放大100倍(b)放大500倍。


  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。图片均由受访者提供



 
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