近兩年，生成式人工智能在全球范圍內掀起熱潮，大模型訓練需求激增，大幅度帶動了芯片算力、存儲性能以及能效的提升，作為下一代寬禁帶半導體材料的代表金剛石，尤其是晶體結構完整、無缺陷的單晶金剛石，具有禁帶寬度大， 載流子遷移率高， 熱導率極高等優異的電學性能，在高功率、 高頻、 高溫及低功率損耗的應用中極具潛力。

（圖源：網絡）

然而與其他半導體晶圓材料相比，單晶金剛石極高的熔點（約3550°C）使得其生長環境難以模擬，且其所有的原子都是按照一定的規則排列而成的，這就對單晶金剛石的制備技術提出了極高的要求，必須在較長的時間中嚴格控制溫度、壓力、氣體成分等條件，以避免引入任何缺陷，讓晶體緩慢生長以確保晶體質量，因此大尺寸金剛石單晶的制備一直是影響其應用的關鍵。

目前單晶金剛石主要通過高溫高壓法（HPHT）和MPCVD法制備，而由于高壓設備尺寸的限制，利用HPHT法制備大尺寸金剛石制備極其困難，并且在使用HPHT法時需要引入催化劑促進成核，因此金剛石內部雜質難以得到有效減少。而微波等離子體化學氣相沉積（MPCVD）設備則對金剛石尺寸限制較小，可通過同質外延和異質外延的方式來制備大尺寸單晶金剛石，是目前行業內制備大尺寸、高品質單晶金剛石的最佳手段之一。

一、同質外延金剛石

單晶金剛石的同質外延是在單晶金剛石表面進行CVD金剛石的生長，目前行業內為了實現大尺寸、高質量單晶金剛石的同質外延生長，提出了三維擴大生長和mosaic 拼接生長兩條技術路線。

1、三維擴大生長技術

由于金剛石材料中屬于同一族的晶面具有相同的生長特性，因此可以高純度、無缺陷的單晶金剛石作為籽晶，在籽晶的(100)晶面生長至一定厚度時，將單晶金剛石邊緣產生的多晶金剛石打磨后在側面繼續生長，隨后重復上述操作將金剛石籽晶面積進一步擴大，從而實現在大尺寸籽晶上實現cvd單晶金剛石的制備。

三維擴大生長單晶金剛石（來源：參考文獻2）

該技術的優勢在于其生長晶體質量相對較高，內應力和位錯密度相對較小（大約在104 cm^-2 量級），但隨著生長次數的增加，仍會出現晶格劣化現象，且在切割打磨時很大概率出現破損的情況，因此英寸級金剛石單晶較難獲得。

2、mosaic 拼接生長

mosaic 拼接生長是將多片金剛石籽晶緊密拼接在襯底托上，利用金剛石外延層生長過程中的橫向外延將所有的籽晶彌合為一個整體之，之后再結合離子注入或者激光切割工藝可以將外延層從籽晶上整體分離，從而得到晶體質量較高的英寸級單晶金剛石。

mosaic拼接生長技術（來源：參考文獻2）

不過值得注意的是，由于籽晶的晶向會“遺傳”給外延層，并且籽晶晶向偏差越大， 拼接區域產生的應力也就越大，容易導致拼接縫質量較低，在一定程度上增大器件的反向泄漏電流。為了解決這一問題，需要對籽晶的結晶取向進行調節，保證籽晶拼接位置晶向一致、厚度一致，才能利用馬賽克拼接法得到大面積的單晶金剛石。此外，隨著拼接尺寸逐漸增大， 拼接生長速率、 表面雜質濃度分布不均勻等問題更加突出，因此還需進一步探索更加高效的大尺寸金剛石生長方法。

二、異質外延金剛石

異質外延單晶金剛石生長是制備大尺寸單晶金剛石最有希望的方法之一。由于采用與金剛石具有不同化學成分的材料作為襯底進行外延生長，所制備的單晶金剛石尺寸只取決于襯底尺寸，因此異質外延技術相較于前面兩種方法更易實現大尺寸單晶的生長。

對于金剛石異質外延，襯底的尺寸和質量將直接影響到后續金剛石的形核及生長質量，因此挑選并制備出符合單晶金剛石外延的優質大尺寸襯底體系是制備大尺寸單晶金剛石的基本前提和基礎，通常，為避免產生高密度的位錯和缺陷，進而影響器件性能，異質襯底需與單晶金剛石有相似的晶體結構、晶格常數、表面能、熱膨脹系數等，且能夠在金剛石生長溫度下保持穩定的物相。目前，襯底的選擇主要集中在Ir、Pt、c-BN、Si、SiC、Mg0、YSZ、SrTiO₃、Cu等，其中，Ir（銥）熔點較高，在金剛石生長條件下保持穩定，是目前唯一 可實現高質量、 大尺寸金剛石薄膜的襯底材料，利用其作為襯底制備大面積、高質量的異質外延單晶金剛石已取得較大進展，比如2017年，德國奧格斯堡大學就已經實現在金屬銥襯底上生長直徑達到92 mm的單晶金剛石。

德國奧格斯堡大學異質外延生成金剛石單晶

盡管如此，單晶金剛石與 Ir 的晶格失配率仍高達 - 7. 1%，易導致金剛石與 Ir 界面位錯密度較高以及應力大，因此如何進一步提升異質外延單晶金剛石晶體質量仍是加快其應用的關鍵。除此之外，為了使金剛石半導體走向應用，通過摻雜來實現電導調制必不可少，不過目前基于異質外延金剛石的摻雜技術的研究仍然較少。

小結

隨著AI熱潮席卷全球，金剛石作為第四代半導體材料逐漸被人們所關注，但大尺寸單晶金剛石的合成問題一直是制約金剛石商業化應用與推廣的首要難題。目前可采用小尺寸金剛石作為籽晶利用三維擴大生長、mosaic拼接生長等技術進行進行同質外延，也可在其他大尺寸材料襯底上進行異質外延制備。不過，上述方法仍存在晶體位錯較大、生長效率低等問題。

未來，還需進一步完善大尺寸單晶金剛石襯底制備及加工工藝，不斷提高晶體質量，為研究金剛石功率器件的進一步應用奠定基礎。

參考來源：

1、朱肖華，CVD金剛石制備及金剛石金屬氧化物場效應晶體管研宄，北京科技大學.

2、牟草源,李根壯,謝文良,等.微波等離子體化學氣相沉積法制備大尺寸單晶金剛石的研究進展[J].電子與封裝.

3、劉俊杰,關春龍,易劍,等.半導體用大尺寸單晶金剛石襯底制備及加工研究現狀[J].人工晶體學報.

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