單晶金剛石，憑借其卓越的物理特性——超寬的禁帶寬度、低介電常數、高擊穿電壓、杰出的熱導率、優異的本征電子和空穴遷移率，以及無與倫比的抗輻射性能，被譽為半導體材料領域的“終極之選”。然而，盡管潛力巨大，單晶金剛石在半導體產業的大規模應用之路仍布滿荊棘，尤其是大尺寸（英寸級）單晶金剛石襯底的制備技術，成為亟待攻克的核心難題。

大尺寸單晶金剛石工藝

化學氣相沉積金剛石材料需達到英寸級大晶圓面積。大尺寸的天然金剛石材料儲備有限、價格昂貴且質量參差不齊，難以滿足工業化應用的需求，而MPCVD法沉積英寸級單晶金剛石的制備技術是目前需要突破的首要難題。

大尺寸單晶金剛石沉積工藝

1、異質外延沉積

襯底選擇：歷史上，科研人員嘗試了多種襯底材料。雖然早期在非金剛石襯底和c-BN襯底上成功制備了金剛石，但這些材料因尺寸限制或難以獲得大面積高質量單晶金剛石而逐漸被淘汰。單晶Si片因易于獲取而備受關注，但Si與金剛石間較大的晶格失配度和表面能差異導致沉積的金剛石質量不佳。經過深入探索，Ir（銥）因其獨特的性質成為目前唯一能實現高質量、大尺寸異質外延金剛石制備的理想襯底。

提高形核密度的工藝：偏壓增強形核技術和離子輻照技術是提升形核密度的兩大關鍵手段。偏壓增強形核技術通過施加特定偏壓顯著提高形核密度，而離子輻照技術則為金剛石的形核創造了有利條件，兩者均促進了高質量大尺寸單晶金剛石的沉積。

偏壓增強形核技術：1991年，Yugo等最先提出偏壓增強形核技術。該團隊在偏壓大小為某特定值時獲得了1010cm-2的形核密度，隨后將該技術應用于熱絲化學氣相沉積工藝中，同樣也提高了形核密度。北京科技大學李義鋒等利用偏壓加強工藝開展了襯底的異質外延形核研究，使得外延層形核密度達108—109cm-2。

離子輻照技術：日本Othsuka等采用熱陰極直流等離子體化學氣相沉積結合離子輻照技術，在Ir/MgO（001）襯底上首次獲得密度為108cm-2的異質外延金剛石顆粒。這種技術通過離子輻照為金剛石的形核提供了有利條件，促進了高質量大尺寸單晶金剛石的沉積。

2、三維生長法

該方法利用金剛石材料中同一族晶面的生長特性，通過多次生長和側面打磨，逐步擴大籽晶面積。雖然已有成功案例，如通過多次重復生長獲得大尺寸金剛石晶體，但該方法耗時較長，且對生長條件要求極高。

應用及局限Yamada等最早通過在生長過程中加入氮氣并利用半封閉襯底托的方式，經過漫長的實驗，在一個襯底上經過無加工的24次重復生長，成功獲得了一顆10mm厚，重達4.65ct（1ct=200mg）的金剛石。還有研究人員通過在沉積過程中添加氮氣在高壓下實現了較快的生長速度并且成功制備出一顆18mm厚的單晶金剛石。

3、馬賽克拼接

技術路線由Geis等人率先提出，通過在硅襯底上沉積多個小尺寸單晶金剛石籽晶，再經過特殊工藝拼接成近似單晶的大面積金剛石。盡管已取得一定進展，但該技術對籽晶質量和沉積環境要求極為嚴格，且拼接縫的存在可能影響材料的整體性能。

4、未來展望

單晶金剛石作為半導體材料的潛力巨大，但其大尺寸襯底的制備技術仍面臨諸多挑戰。隨著科研工作的不斷深入，期待未來能夠突破技術瓶頸，實現大尺寸單晶金剛石在半導體領域的廣泛應用。這不僅將為半導體產業帶來革命性的變革，也將為人類社會的科技進步注入新的活力。

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