近日，由西安交通大學(xué)王宏興教授領(lǐng)銜的創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)在單晶金剛石襯底技術(shù)產(chǎn)業(yè)化上取得了重大進(jìn)展和突破。該團(tuán)隊(duì)采用一種基于微波等離子體化學(xué)氣相沉積（MPCVD）技術(shù)實(shí)現(xiàn)了2英寸異質(zhì)外延單晶金剛石襯底的量產(chǎn)，這一創(chuàng)新成果標(biāo)志著我國(guó)在超硬材料領(lǐng)域的研究已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，將為相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供強(qiáng)大的技術(shù)支持。

       在半導(dǎo)體制備原理中，襯底是由半導(dǎo)體單晶材料制造而成的晶圓片，不同襯底材料可以生產(chǎn)包括單晶金剛石等在內(nèi)的半導(dǎo)體芯片。而單晶金剛石被稱為“終極半導(dǎo)體”，與硅同為單質(zhì)半導(dǎo)體，性能完全超越現(xiàn)有半導(dǎo)體，可以克服“擊穿場(chǎng)強(qiáng)不足”和“自熱效應(yīng)”瓶頸。在超高電壓、超大電流、超大功率、高效、耐輻照和超高頻工作且無(wú)需冷卻的電子器件方面，單晶金剛石具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。

       作為國(guó)內(nèi)長(zhǎng)期從事單晶金剛石寬禁帶半導(dǎo)體材料及器件研究工作的專家，王宏興帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期科研攻關(guān)，成功實(shí)現(xiàn)2英寸異質(zhì)外延單晶金剛石自支撐襯底的批量化（如圖一所示）。通過(guò)對(duì)成膜均勻性、溫場(chǎng)及流場(chǎng)的有效調(diào)控，提高了異質(zhì)外延單晶金剛石成品率。襯底表面具有臺(tái)階流（step-flow）生長(zhǎng)模式（如圖二所示），可降低襯底的缺陷密度，提高晶體質(zhì)量。XRD（004）、（311）搖擺曲線半峰寬分別小于91 arcsec和111 arcsec（如圖三所示）。

圖一.2英寸異質(zhì)外延單晶金剛石自支撐襯底照片

圖二.異質(zhì)外延金剛石光學(xué)顯微鏡照片（a）放大100倍（b）放大500倍

圖三. XRD測(cè)試結(jié)果（a）（004）面搖擺曲線；（b）（311）面搖擺曲線；（c）（311）面四重對(duì)稱；（d）極圖

       該方法利用微波等離子體激發(fā)反應(yīng)氣體，在較低的溫度和壓力下實(shí)現(xiàn)異質(zhì)外延單晶金剛石的生長(zhǎng)。與傳統(tǒng)的制備方法相比，該方法具有更高的生長(zhǎng)速率和更低的成本，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。進(jìn)而有效保證國(guó)內(nèi)功率電子器件、導(dǎo)熱、雷達(dá)探測(cè)等領(lǐng)域?qū)τ诟哔|(zhì)量、大尺寸電子級(jí)單晶金剛石的需求，同時(shí)滿足院校科研對(duì)高質(zhì)量晶種的需求。

       除了科研方面的應(yīng)用，這一突破在商業(yè)和工業(yè)領(lǐng)域也有巨大的潛力。比如還可能應(yīng)用于以下幾個(gè)應(yīng)用：

       1、高級(jí)切割工具：金剛石的高硬度和耐磨性使其成為制造高端切割工具的理想材料。通過(guò)使用異質(zhì)外延單晶金剛石襯底，可以制造出更耐用、更精確的切割工具，從而提高了切割效率并降低了生產(chǎn)成本。

       2、電子和半導(dǎo)體設(shè)備：金剛石的熱導(dǎo)率和電絕緣性使其成為電子和半導(dǎo)體設(shè)備的理想材料。通過(guò)使用異質(zhì)外延單晶金剛石襯底，可以制造出更高效、更可靠的電子和半導(dǎo)體設(shè)備。

       3、光學(xué)儀器和激光器：金剛石的高光學(xué)透過(guò)性和穩(wěn)定性使其成為制造光學(xué)儀器和激光器的理想材料。通過(guò)使用異質(zhì)外延單晶金剛石襯底，可以制造出更精確、更穩(wěn)定的光學(xué)儀器和激光器。

       4、傳感器和探測(cè)器：金剛石的高敏感性和穩(wěn)定性使其成為制造傳感器和探測(cè)器的理想材料。通過(guò)使用異質(zhì)外延單晶金剛石襯底，可以制造出更精確、更可靠的傳感器和探測(cè)器。

       值得一提的是，此次研究成果的產(chǎn)業(yè)化打破了國(guó)外技術(shù)壟斷，降低了國(guó)內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)成本，且應(yīng)用前景十分廣闊。隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)的快速發(fā)展，金剛石在電子、光子、量子等領(lǐng)域的應(yīng)用需求不斷增加。而異質(zhì)外延單晶金剛石襯底的量產(chǎn)，將為相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供更加穩(wěn)定、可靠的原材料支持。同時(shí)，該成果的推廣應(yīng)用也將帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，我們期待著這一技術(shù)在未來(lái)的更多應(yīng)用和突破。