近日，由西安交通大学王宏兴教授领衔的创业团队在单晶金刚石衬底技术产业化上取得了重大进展和突破。该团队采用一种基于微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）技术实现了2英寸异质外延单晶金刚石衬底的量产，这一创新成果标志着我国在超硬材料领域的研究已达到国际领先水平，将为相关产业的发展提供强大的技术支持。
在半导体制备原理中，衬底是由半导体单晶材料制造而成的晶圆片，不同衬底材料可以生产包括单晶金刚石等在内的半导体芯片。而单晶金刚石被称为“终极半导体”，与硅同为单质半导体，性能完全超越现有半导体，可以克服“击穿场强不足”和“自热效应”瓶颈。在超高电压、超大电流、超大功率、高效、耐辐照和超高频工作且无需冷却的电子器件方面，单晶金刚石具有得天独厚的优势。
作为国内长期从事单晶金刚石宽禁带半导体材料及器件研究工作的专家，王宏兴带领团队经过长期科研攻关，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（如图一所示）。通过对成膜均匀性、温场及流场的有效调控，提高了异质外延单晶金刚石成品率。衬底表面具有台阶流（step-flow）生长模式（如图二所示），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91 arcsec和111 arcsec（如图三所示）。
图一.2英寸异质外延单晶金刚石自支撑衬底照片
图二.异质外延金刚石光学显微镜照片（a）放大100倍（b）放大500倍
图三. XRD测试结果（a）（004）面摇摆曲线；（b）（311）面摇摆曲线；（c）（311）面四重对称；（d）极图
该方法利用微波等离子体激发反应气体，在较低的温度和压力下实现异质外延单晶金刚石的生长。与传统的制备方法相比，该方法具有更高的生长速率和更低的成本，同时能够实现大规模生产。进而有效保证国内功率电子器件、导热、雷达探测等领域对于高质量、大尺寸电子级单晶金刚石的需求，同时满足院校科研对高质量晶种的需求。
除了科研方面的应用，这一突破在商业和工业领域也有巨大的潜力。比如还可能应用于以下几个应用：
1、高级切割工具：金刚石的高硬度和耐磨性使其成为制造高端切割工具的理想材料。通过使用异质外延单晶金刚石衬底，可以制造出更耐用、更精确的切割工具，从而提高了切割效率并降低了生产成本。
2、电子和半导体设备：金刚石的热导率和电绝缘性使其成为电子和半导体设备的理想材料。通过使用异质外延单晶金刚石衬底，可以制造出更高效、更可靠的电子和半导体设备。
3、光学仪器和激光器：金刚石的高光学透过性和稳定性使其成为制造光学仪器和激光器的理想材料。通过使用异质外延单晶金刚石衬底，可以制造出更精确、更稳定的光学仪器和激光器。
4、传感器和探测器：金刚石的高敏感性和稳定性使其成为制造传感器和探测器的理想材料。通过使用异质外延单晶金刚石衬底，可以制造出更精确、更可靠的传感器和探测器。
值得一提的是，此次研究成果的产业化打破了国外技术垄断，降低了国内相关产业的生产成本，且应用前景十分广阔。随着5G、物联网等新兴技术的快速发展，金刚石在电子、光子、量子等领域的应用需求不断增加。而异质外延单晶金刚石衬底的量产，将为相关产业的发展提供更加稳定、可靠的原材料支持。同时，该成果的推广应用也将带动相关产业链的发展，促进我国经济的转型升级，我们期待着这一技术在未来的更多应用和突破。
