【原创】西安交大王宏兴教授：十年磨剑，解决金刚石衬底“尺寸”难题

中国粉体网讯  

王宏兴，教授/博士生导师，西安交通大学电子物理与器件教育部重点实验室主任，美国电气学会（IEEE）、日本应用物理学会（JSAP）、日本电气学会（IEEJ）、美国显示学会（SID）和美国化学学会（ACS）委员、陕西省真空学会理事长。获国家科技进步三等奖1项。近几年，在Carbon、Appl Phys Lett、Diam Relat Mater、Optical Express、Laser & Photonics Reviews等国际著名期刊发表论文120余篇。申报相关国际、国内发明专利100余项，并逐步把专利上升为行业或国家技术标准。所在的学科为国家双一流学科，2017年被评为国家A-学科。

研究方向

1. 大面积、高质量宽禁带半导体材料的研究；

2. 电子器件级高质量宽禁带半导体单晶薄膜及掺杂方法的研究；

3. 高温、高效、大功率微波及电力电子器件的研究；

4. 基于宽禁带半导体的传感器和成像探测器的研究；

5. 新型化学气相沉积（CVD）系统等关键设备的研制；

6. 微机电系统（MEMS）结构与器件；

7. 金刚石NV量子相干调控。

自主研发，从未停止

王宏兴教授长期从事宽禁带半导体材料、器件、设备的研发，早期曾在日本德岛大学酒井士郎教授团队参与氮化镓MOCVD生长技术的研究，成功开发出单片和六片MOCVD，研发出了高亮度的氮化镓LED，并被日本丰田合成等公司量产。

同时，参加了日本产、学、研联合研发与量产大面积单晶金刚石衬底的项目，负责开发出两种类型六种系列MPCVD设备和工艺，量产了1英寸单晶金刚石衬底。2013年9月以国家特聘专家回国在西安交通大学成立“宽禁带半导体研究中心”，主要从事单晶金刚石设备、材料和器件的研发。实现宽禁带半导体从材料生长、器件设计、性能表征整个平台的建设。

MPCVD生长设备 图源：西安交大官网

十年磨剑，打破封锁

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（22W/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。

10年前，我国在大尺寸单晶金刚石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，王宏兴组建了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。

王宏兴教授（右三）与团队成员在讨论研发中的问题

2024年，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。

2英寸异质外延单晶金刚石自支撑衬底照片

“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。

广泛合作，促进量产

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。

异质外延金刚石光学显微镜照片（a）放大100倍（b）放大500倍

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。

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。

参考来源：

西安交通大学官网，中国科学报

（中国粉体网编辑整理/轻言）

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