金剛石因其超寬禁帶、高擊穿場強、高載流子遷移率及出色熱導率，被視為高頻、大功率、高溫及抗輻射器件的理想材料。在所有晶體取向中，(110)晶面因在氫終端和n型摻雜電子器件中的獨特優勢而備受關注，但其同質外延生長研究卻長期處于空白。

       近日，西安電子科技大學郝躍院士團隊張進成教授、張金風教授在國際知名期刊《Applied Surface Science》上發表了題為“Expansion growth of <110>-oriented single crystal diamond”的研究成果，成功制備出擴大化生長的高質量（110）金剛石單晶，并首次揭示其生長機理，為金剛石半導體材料與器件制備開辟了新路徑。

       一、優化生長條件，提升晶體質量

       研究團隊利用微波等離子體化學氣相沉積（MPCVD）系統，通過調控甲烷濃度（2% - 6%）并引入0.5%氧氣，成功優化了（110）金剛石的生長條件。實驗表明，在4%甲烷濃度下，生長速率可達16.6微米/小時，雖然略低于純甲烷環境，但氧氣的引入有效抑制了石墨相生成，提升了晶體質量。拉曼光譜顯示應力降低，光致發光（PL）光譜中氮相關缺陷峰顯著減弱。

圖1 不同甲烷濃度以及附加氧氣條件下樣品的表面形貌

圖2 不同甲烷濃度以及附加氧氣條件下樣品的Raman & PL光譜圖

       二、發現雙基團機制，揭示各向異性生長

       團隊首次在（110）金剛石外延中觀察到CH與C2基團的協同作用。在低甲烷濃度下，C2基團主導反應；高濃度時，CH基團作用增強。這種雙基團機制使（110）生長速率達到（100）取向的兩倍，為理解金剛石各向異性生長提供了關鍵理論支撐。

圖3 （110）金剛石生長過程中表面反應機理和光譜圖

圖4 不同甲烷濃度以及附加氧氣條件下樣品的SEM、AFM圖片

       三、揭示幾何演變規律，實現擴大化生長

       在長達100小時的厚外延生長中，團隊揭示了（110）金剛石獨特的幾何演變規律。初期，晶體頂面從5毫米×5毫米擴展至7.03毫米×8.12毫米，隨后因（100）晶面快速側向生長，頂面形成沿<100>方向的脊狀結構，最終演變為類似“火山口”形貌，最大厚度達3.1毫米。在晶體最大橫截面附近切割后獲得的1毫米厚（110）金剛石單晶片有效面積較襯底提升75%。

圖5 厚外延過程中的（110）金剛石晶體演變示意圖以及切割得到的擴大化襯底圖片

       四、降低位錯密度，提供新制備策略

       通過X射線衍射（XRD）搖擺曲線分析，外延層在（110）、（100）、（111）方向上的半高寬（FWHM）較襯底均降低約1/3，表明位錯密度顯著下降。拉曼光譜顯示，擴大生長區域呈現壓應力特征，而中心垂直生長區域因繼承襯底缺陷及多晶面協同生長，缺陷密度更高。這一發現揭示了以（100）晶面為主的側向擴展可有效抑制缺陷傳播，為高質量單晶制備提供了新策略。

圖6 擴大化（110）金剛石單晶外延片（S5-1）的XRD搖擺曲線和Raman&PL光譜圖

       五、邁向應用開發，推動規模化應用

       該成果首次揭示了（110）金剛石厚單晶多晶面協同外延的生長機理，實現了（110）金剛石的擴大化生長，填補了（110）金剛石外延生長研究的空白，標志著（110）金剛石從基礎研究邁向應用開發的關鍵一步。未來，通過優化生長參數、引入新型襯底結構，有望進一步擴大單晶尺寸、降低生產成本，推動金剛石在5G通信、航天器件、量子計算等戰略領域的規模化應用。

       該研究得到了國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金創新群體/杰青/重點/面上項目、中國博士后科學基金等項目的資助。

       文章整理自寬禁帶半導體技術創新聯盟相關論文