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       金刚石作为超宽禁带半导体的典型代表，因其超宽禁带、高击穿场强、高载流子迁移率及出色的热导率等特性，成为高频、大功率、高温及抗辐射器件的理想材料。其中，（110）单晶金刚石在氢终端以及n型掺杂的电子器件应用中展现出独特优势，但基于（110）单晶金刚石衬底的同质外延生长研究长期处于空白。

       近日，西安电子科技大学宽禁带半导体器件与集成技术国家重点实验室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”的最新研究成果，成功制备了扩大化生长的高质量（110）金刚石单晶，并首次揭示了其生长机理，为金刚石半导体材料与器件制备开辟了全新路径。该成果以西安电子科技大学为第一完成单位，任泽阳副教授为论文第一作者，硕士研究生王超玥为第二作者，张金风教授和张进成教授为论文共同通讯作者。

       研究团队通过MPCVD系统调控甲烷浓度（2%-6%）与引入 0.5% 氧气，成功优化（110）金刚石的生长条件。实验发现，4% 甲烷浓度下生长速率达 16.6 μm/h，虽略低于纯甲烷环境，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，PL 光谱中氮相关缺陷峰显著减弱。

图1 不同甲烷浓度以及附加氧气条件下样品的表面形貌

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

       此外，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。低甲烷浓度下 C2基团主导反应，高浓度时 CH 基团增强，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。

图3 （110）金刚石生长过程中表面反应机理和光谱图

图4 不同甲烷浓度以及附加氧气条件下样品的SEM、AFM图片

       在长达 100 小时的厚外延生长中，团队揭示了独特的几何演变规律：（110）顶面的生长微观上由（100）和（111）小面主导，宏观上形成 “先扩展后收缩” 的动态过程。初期，晶体顶面从 5 mm×5 mm 扩展至 7.03 mm×8.12 mm，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 mm。在晶体最大横截面附近切割后获得的 1 mm 厚（110）金刚石单晶片有效面积较衬底提升 75%。

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

       通过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。

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

       综上所述，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（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，为金刚石半导体的自选择生长提供了全新方法。这标志着（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。