金剛石作為一種“終極半導體材料”，在力、熱、聲、光、電等方面都具有十分優(yōu)異的性能，如超寬禁帶、高載流子遷移率、超高熱導率、高擊穿電場等，在高溫、高效、超高頻、超大功率半導體功率器件領域將發(fā)揮重要作用，從而成為新一代半導體芯片材料，會極大地推動5G/6G通信、微波/毫米波集成電路、探測與傳感等領域的快速發(fā)展。金剛石的常見晶面取向有（100）、（110）和（111），其中（100）面金剛石由于其生長速率快、晶體缺陷低從而被廣泛研究。此外，（111）面的金剛石摻雜效率更高、表面懸掛鍵密度更大，也展示出了氫終端金剛石電子器件的巨大潛力。同時由于金剛石具有超高的熱導率（22 W/cm·K），可作為高質量GaN材料外延襯底，有效地改善基于GaN基高功率電子器件性能，解決高電子遷移率的自熱效應，從而增強器件的輸出功率、可靠性以及延長其壽命。

西安交大王宏興教授研究團隊采用微波等離子體化學氣相沉積（MPCVD）技術，歷經10年潛心研發(fā)，獨立自主開發(fā)了2英寸異質外延單晶金剛石自支撐襯底，并成功實現批量化（圖1）。通過對成膜均勻性、溫場、流場及工藝參數的有效調控，實現了襯底表面臺階流（step-flow）生長模式，提高了異質外延單晶金剛石成品率與晶體質量。XRD（004）、（311）搖擺曲線半峰寬分別小于91弧秒和111弧秒，這一創(chuàng)新成果標志著我國在金剛石超寬禁帶半導體材料領域的研究已達到國際領先水平，為金剛石的半導體應用奠定了基礎。該成果入選了2024年度中國第三代半導體十大進展（圖2）。

圖1. 2英寸異質外延單晶金剛石自支撐襯底照片

圖2. 2英寸單晶金剛石異質外延自支撐襯底實現國產化榮獲2024年度中國第三代半導體十大進展

近期，該團隊首次在Ir（111）/藍寶石異質襯底上實現了單晶金剛石（111）面的外延生長，并成功研制了尺寸為20×20×0.5 mm3（1英寸）的（111）取向異質外延單晶金剛石自支撐襯底。SEM、XRD、EBSD（圖3）等材料特性表征證明金剛石（111）具有良好的晶體特征，材料質量達到世界領先水平，將為高質量GaN外延奠定良好的襯底基礎，推動高功率密度金剛石基GaN基射頻電子器件的發(fā)展。

圖3.單晶金剛石(111)面極圖，證明薄膜具有良好的單晶特征

西安交通大學寬禁帶半導體材料與器件研究中心于2013年建立，實驗室主任為王宏興教授，經過近10年的發(fā)展，已形成具有自主知識產權的金剛石半導體外延設備研發(fā)、單晶/多晶襯底生長、電子器件研制等系列技術，已獲授權48項專利，與國內相關大型通信公司、中國電科等科研院所開展了金剛石半導體材料與器件的廣泛合作，促進了金剛石射頻功率器件、電力電子器件、MEMS等器件的實用性發(fā)展。