技术突破| 厦门大学张洪良课题组单晶金刚石薄膜异质外延生长研究最新成果

近日，厦门大学张洪良教授课题组与化合积电（厦门）半导体科技有限公司合作，在高起点新刊《Electron》发表题为"Recent progress on heteroepitaxial growth of single crystal diamond films"的综述文章。

该文系统探讨了单晶金刚石薄膜异质外延生长的基本原理、技术挑战、结构及电子性质与潜在应用，并为该新兴领域的未来研究方向提供指导。文章指出，金刚石作为一种具有卓越物理及化学特性的超宽禁带半导体材料，具备优异载流子迁移率、极高热导率及优异稳定性，在电力电子、热管理、传感器及光电器件等领域具有重要应用价值。然而，大尺寸高质量单晶金刚石薄膜的生长仍是制约其潜力充分发挥的关键技术瓶颈。异质外延生长作为一种有望实现大尺寸（可达3英寸）且电学性能可控的单晶金刚石晶片制备方法，受到广泛关注。该综述系统概述了微波等离子体辅助化学气相沉积（MPCVD）技术在金刚石异质外延方面的最新研究进展，涵盖异质外延生长机制、衬底选择、薄膜优化、化学缺陷及掺杂等关键内容。此外，文章还讨论了单晶金刚石薄膜异质外延生长在器件应用领域的近期研究进展，并对未来发展前景进行了展望。

鉴于单晶金刚石优异的综合特性，其在各类电子器件，特别是大功率、高频、高温应用场景中的潜在价值已引起学术界与产业界的广泛关注。尽管金刚石与异质衬底之间存在晶格失配及热膨胀系数失配等挑战，但近年来相关研究已取得显著进展。MPCVD技术的发展使得在合适衬底上合成高质量金刚石晶圆成为可能。由于铱（Ir）衬底与金刚石晶格匹配度较高且能在高温下保持稳定，已成为金刚石异质外延的优选候选材料。Ir(001)衬底外延生长及表面预处理方法的进步促进了原子级平坦台阶的形成，从而有利于金刚石薄膜的成核及初始生长。

近期研究表明，在多种衬底上，特别是Ir/蓝宝石复合衬底上，已成功实现单晶金刚石薄膜的异质外延生长，为金刚石在电子行业的应用奠定了基础。异质外延金刚石肖特基势垒二极管（SBD）及场效应晶体管（FET）的研制成功，证明了该技术在电子器件领域的可行性。然而，仍需进一步研究以应对晶体质量提升、薄膜厚度增加及大面积生长等挑战。此外，探索替代衬底及优化生长条件有望带来更高效、更具成本效益的制备工艺。随着高性能电子器件需求的持续增长，单晶金刚石薄膜异质外延生长技术前景广阔。随着合成技术的进步及生长机制研究的深入，异质外延金刚石有望对电子行业产生深远影响，并推动基于金刚石优异特性的多种应用发展。

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化合积电（厦门）半导体科技有限公司是一家专注于宽禁带半导体材料研发、生产及销售的国家高新技术企业。核心产品包括多晶金刚石（晶圆级金刚石、金刚石热沉片、金刚石窗口片、金刚石基异质集成复合衬底）、单晶金刚石（热学级、光学级、电子级）及氮化铝薄膜（金刚石基氮化铝、硅基氮化铝、蓝宝石基氮化铝）等，并可根据客户需求提供定制化服务。产品应用于5G基站、激光器、医疗器械、大功率LED、新能源汽车、新能源光伏、航空航天及国防军工等领域。公司始终聚焦宽禁带半导体材料技术前沿，与海内外多家知名企业及科研机构保持密切技术交流与合作，坚持突破、创新、领先的发展理念，深入前沿科技关键技术攻关，前瞻部署产业链上下游，构建产业发展战略联盟体系，主导行业发展趋势与方向，大力推动金刚石及氮化铝等宽禁带半导体材料的产业化与规模化发展，秉持"大尺寸、低成本、高品质"的发展理念。