近两年，生成式人工智能在全球范围内掀起热潮，大模型训练需求激增，大幅度带动了芯片算力、存储性能以及能效的提升，作为下一代宽禁带半导体材料的代表金刚石，尤其是晶体结构完整、无缺陷的单晶金刚石，具有禁带宽度大， 载流子迁移率高， 热导率极高等优异的电学性能，在高功率、 高频、 高温及低功率损耗的应用中极具潜力。

（图源：网络）

然而与其他半导体晶圆材料相比，单晶金刚石极高的熔点（约3550°C）使得其生长环境难以模拟，且其所有的原子都是按照一定的规则排列而成的，这就对单晶金刚石的制备技术提出了极高的要求，必须在较长的时间中严格控制温度、压力、气体成分等条件，以避免引入任何缺陷，让晶体缓慢生长以确保晶体质量，因此大尺寸金刚石单晶的制备一直是影响其应用的关键。

目前单晶金刚石主要通过高温高压法（HPHT）和MPCVD法制备，而由于高压设备尺寸的限制，利用HPHT法制备大尺寸金刚石制备极其困难，并且在使用HPHT法时需要引入催化剂促进成核，因此金刚石内部杂质难以得到有效减少。而微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）设备则对金刚石尺寸限制较小，可通过同质外延和异质外延的方式来制备大尺寸单晶金刚石，是目前行业内制备大尺寸、高品质单晶金刚石的最佳手段之一。

一、同质外延金刚石

单晶金刚石的同质外延是在单晶金刚石表面进行CVD金刚石的生长，目前行业内为了实现大尺寸、高质量单晶金刚石的同质外延生长，提出了三维扩大生长和mosaic 拼接生长两条技术路线。

1、三维扩大生长技术

由于金刚石材料中属于同一族的晶面具有相同的生长特性，因此可以高纯度、无缺陷的单晶金刚石作为籽晶，在籽晶的(100)晶面生长至一定厚度时，将单晶金刚石边缘产生的多晶金刚石打磨后在侧面继续生长，随后重复上述操作将金刚石籽晶面积进一步扩大，从而实现在大尺寸籽晶上实现cvd单晶金刚石的制备。

三维扩大生长单晶金刚石（来源：参考文献2）

该技术的优势在于其生长晶体质量相对较高，内应力和位错密度相对较小（大约在104 cm^-2 量级），但随着生长次数的增加，仍会出现晶格劣化现象，且在切割打磨时很大概率出现破损的情况，因此英寸级金刚石单晶较难获得。

2、mosaic 拼接生长

mosaic 拼接生长是将多片金刚石籽晶紧密拼接在衬底托上，利用金刚石外延层生长过程中的横向外延将所有的籽晶弥合为一个整体之，之后再结合离子注入或者激光切割工艺可以将外延层从籽晶上整体分离，从而得到晶体质量较高的英寸级单晶金刚石。

mosaic拼接生长技术（来源：参考文献2）

不过值得注意的是，由于籽晶的晶向会“遗传”给外延层，并且籽晶晶向偏差越大， 拼接区域产生的应力也就越大，容易导致拼接缝质量较低，在一定程度上增大器件的反向泄漏电流。为了解决这一问题，需要对籽晶的结晶取向进行调节，保证籽晶拼接位置晶向一致、厚度一致，才能利用马赛克拼接法得到大面积的单晶金刚石。此外，随着拼接尺寸逐渐增大， 拼接生长速率、 表面杂质浓度分布不均匀等问题更加突出，因此还需进一步探索更加高效的大尺寸金刚石生长方法。

二、异质外延金刚石

异质外延单晶金刚石生长是制备大尺寸单晶金刚石最有希望的方法之一。由于采用与金刚石具有不同化学成分的材料作为衬底进行外延生长，所制备的单晶金刚石尺寸只取决于衬底尺寸，因此异质外延技术相较于前面两种方法更易实现大尺寸单晶的生长。

对于金刚石异质外延，衬底的尺寸和质量将直接影响到后续金刚石的形核及生长质量，因此挑选并制备出符合单晶金刚石外延的优质大尺寸衬底体系是制备大尺寸单晶金刚石的基本前提和基础，通常，为避免产生高密度的位错和缺陷，进而影响器件性能，异质衬底需与单晶金刚石有相似的晶体结构、晶格常数、表面能、热膨胀系数等，且能够在金刚石生长温度下保持稳定的物相。目前，衬底的选择主要集中在Ir、Pt、c-BN、Si、SiC、Mg0、YSZ、SrTiO₃、Cu等，其中，Ir（铱）熔点较高，在金刚石生长条件下保持稳定，是目前唯一 可实现高质量、 大尺寸金刚石薄膜的衬底材料，利用其作为衬底制备大面积、高质量的异质外延单晶金刚石已取得较大进展，比如2017年，德国奥格斯堡大学就已经实现在金属铱衬底上生长直径达到92 mm的单晶金刚石。

德国奥格斯堡大学异质外延生成金刚石单晶

尽管如此，单晶金刚石与 Ir 的晶格失配率仍高达 - 7. 1%，易导致金刚石与 Ir 界面位错密度较高以及应力大，因此如何进一步提升异质外延单晶金刚石晶体质量仍是加快其应用的关键。除此之外，为了使金刚石半导体走向应用，通过掺杂来实现电导调制必不可少，不过目前基于异质外延金刚石的掺杂技术的研究仍然较少。

小结

随着AI热潮席卷全球，金刚石作为第四代半导体材料逐渐被人们所关注，但大尺寸单晶金刚石的合成问题一直是制约金刚石商业化应用与推广的首要难题。目前可采用小尺寸金刚石作为籽晶利用三维扩大生长、mosaic拼接生长等技术进行进行同质外延，也可在其他大尺寸材料衬底上进行异质外延制备。不过，上述方法仍存在晶体位错较大、生长效率低等问题。

未来，还需进一步完善大尺寸单晶金刚石衬底制备及加工工艺，不断提高晶体质量，为研究金刚石功率器件的进一步应用奠定基础。

参考来源：

1、朱肖华，CVD金刚石制备及金刚石金属氧化物场效应晶体管研宄，北京科技大学.

2、牟草源,李根壮,谢文良,等.微波等离子体化学气相沉积法制备大尺寸单晶金刚石的研究进展[J].电子与封装.

3、刘俊杰,关春龙,易剑,等.半导体用大尺寸单晶金刚石衬底制备及加工研究现状[J].人工晶体学报.

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