金刚石在线讯  单晶金刚石因具备超宽禁带、极高热导率和出色的载流子迁移率，被誉为“终极半导体”材料，在高温、高功率及高频电子器件中具有广阔应用前景。然而，天然单晶尺寸小、成本高，严重制约其规模化应用。金刚石要实现深入广泛应用，必须实现大尺寸、高质量单晶金刚石的制备。

现行的金刚石合成技术有高压高温（HPHT）法和化学气相沉积（CVD）法。HPHT法虽可合成金刚石单晶，但晶体尺寸受限、金属催化剂残留问题突出，难以满足高性能器件对材料纯度和一致性的要求。与HPHT法相比，CVD法的有效生长空间大，原材料纯度高，使合成金刚石纯度较高，尤其是在掺杂处理方面具有较大优势。当前，微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）是制备高质量单晶金刚石的主流方法。

合成路线

根据衬底种类不同，CVD法沉积金刚石可分为同质外延和异质外延，同质外延又包括三维生长法和马赛克拼接法。同质外延一般是指在金刚石衬底上外延生长单晶金刚石的工艺，异质外延以非金刚石材料为衬底实现金刚石成核和生长。

三维生长法

三维生长法是指选择籽晶的某一个特定晶面作为生长起始面，碳原子在这个晶面上沉积并按照金刚石晶格结构外延生长，当这个晶面生长到一定厚度后，暂停生长过程，对籽晶的侧面进行打磨处理，使其暴露出新的晶面，再将其重新放入环境中继续生长。通过多次重复这一过程来扩大籽晶面积，实现三维方向的生长。

三维生长法示意图及样品

马赛克拼接法

马赛克拼接法是指将多个单晶金刚石籽晶按照一定的取向和方向拼接在一起，通过外延生长使籽晶之间连接，最终形成大尺寸单晶金刚石。该方法在生长面积和位错控制方面展现出显著优势，可较为高效地实现大尺寸生长。

马赛克拼接法制备大尺寸单晶金刚石的示意图

但是，单晶金刚石在生长中面临拼接时籽晶衬底晶向选取、拼接处界面应力集中和位错累积等诸多技术挑战。为了解决这些问题，现有提升金刚石拼接质量的方法，主要包括设备改进、籽晶筛选与预处理、拼接界面调控和外延工艺与参数优化。

异质外延法

异质外延是指在Si、蓝宝石、MgO等衬底上利用缓冲层来缓解金刚石与衬底的热失配和晶格失配，最终实现单晶金刚石薄膜的生长，其中最有效的缓冲层为Ir等。理论上该方法可以生长面积足够大的单晶金刚石，以满足其在电子器件领域产业化需求。

Si衬底上外延金刚石过程及机理示意图

在异质外延过程中要形成连续的单晶金刚石薄膜，其成核密度需要达到10⁹~10¹¹ cm²，同时保证形核均匀性良好。偏压增强形核（BEN）技术可调控等离子体与衬底表面状态，促进高密度、高取向成核。

面向高质量单晶金刚石制备的异质外延技术，未来研究需继续寻求突破：（1）进一步深化对界面微观作用机制的理解，结合原位表征与原子尺度模拟，阐明BEN过程中碳物种的注入、迁移、成核及界面键合的动态过程。（2）亟待发展多物理场耦合的生长模型与实时监测技术，并探索新型缓冲层或梯度界面结构以从源头抑制缺陷。（3）推动大尺寸金刚石晶圆的制备工艺走向成熟，实现低成本、高质量、可重复生长。（4）有必要探索超越Ir的新衬底体系或复合缓冲层结构，以追求更佳的晶格与热匹配。

单晶金刚石研究进展

国外

Diamond Foundry：2023年通过异质外延技术制造出直径100毫米的单晶金刚石晶圆（110克拉），热导率达2400W/(m·K)，应用于AI、电动汽车等领域。

日本EDP：2025年2月，公司宣布开发出30x30mm以上的金刚石单晶。

Element Six：今年6月，联合日本Orbray株式会社，成功搭建了3英寸晶圆级单晶金刚石（WSC™）的可重复性工艺，产品在尺寸、均匀性和制造性方面实现了显著的进步。同时，更大规格4英寸金刚石衬底正在开发中。

国内

2024年初，西安交通大学王宏兴教授团队采用MPCVD技术，实现2英寸异质外延单晶金刚石自支撑衬底的量产，填补了国内在大尺寸金刚石衬底产业化领域的空白。

中国科学院半导体研究所金鹏团队在大尺寸金刚石单晶异质外延生长方面也取得了显著进展。研究团队采用铱（Ir）复合衬底结合偏压增强成核技术，成功在异质衬底上生长出高质量的金刚石薄膜，为解决金刚石与衬底之间的晶格失配和热膨胀系数差异问题提供了新的思路。

今年3月，吉林大学邹广田院士团队在大尺寸单晶金刚石制备领域取得重大突破，成功研发出拥有自主知识产权的“台阶流调控技术”，并制备出2英寸（50×50mm²）单晶金刚石。

图源：吉林发布

小结

大尺寸单晶金刚石的合成问题一直是限制金刚石商业化应用和推广的主要瓶颈。尽管目前一些高校和实验室已经开展了相关研究，所制备的晶圆已经能够应用于热沉和光学领域，但仍然无法满足电子级半导体领域的需求。未来，应进一步完善大尺寸单晶金刚石衬底的制备及加工工艺，持续提升晶体质量，为金刚石的高端应用奠定坚实基础。

参考来源：

[1]张浩楠：化学气相沉积异质外延单晶金刚石的形核及生长研究

[2]刘晨羲：马赛克拼接法制备大尺寸高品质单晶金刚石研究进展

[3]吴晓磊等：面向高质量单晶金刚石制备的异质外延技术：从界面调控到器件应用

[4]王艳丰等：MPCVD单晶金刚石生长及其电子器件研究进展

[5]金刚石材料