探索半导体前沿：大尺寸单晶金刚石衬底制备的现状与未来

单晶金刚石因具有超宽禁带宽度、低介电常数、高击穿电压、高热导率、高本征电子和空穴迁移率以及优越的抗辐射性能，被誉为 “终极半导体”。然而，其在半导体上的大规模应用仍面临诸多技术难题。本文将聚焦大尺寸（英寸级）单晶金刚石衬底的制备技术，为您详细介绍相关研究现状。

   当前技术难题

化学气相沉积金刚石材料需达到英寸级大晶圆面积。大尺寸的天然金刚石材料储备有限、价格昂贵且质量参差不齐，难以满足工业化应用的需求，而MPCVD法沉积英寸级单晶金刚石的制备技术是目前需要突破的首要难题。

   大尺寸单晶金刚石沉积工艺

1、异质外延沉积

衬底选择

早期研究尝试了多种衬底。1976年实现了在非金刚石衬底上制备金刚石，1990年在 c-BN（111）衬底实现了异质外延金刚石生长。但c-BN尺寸小，难以获得大面积高质量的单晶金刚石。

单晶Si片由于较容易获得，引起了学者的广泛研究。德国Davis等在偏压增强形核技术提出之后，首次利用MPCVD在Si（001）制备了高定向金刚石外延层，并提出Si 和金刚石之间的化学键影响了取向关系的论点。Lee 等采用多种手段直接观察了采用偏压增强形核技术的Si上形核过程，发现金刚石可以直接在Si衬底形核，不存在SiC过渡层，同时可以以任意取向在Si衬底上形核。但是，Si与金刚石之间晶格失配度较大，表面能差异大及偏压作用对衬底的破坏被认为是导致沉积的金刚石质量较差的主要原因，所以在Si上直接制备单晶金刚石并不适合大尺寸高质量的要求。

经过研究人员长期的探索，Ir被认为是一种最优的选择，是目前唯一可实现高质量、大尺寸异质外延制备金刚石的衬底材料。Brescia等通过第一性原理计算发现，C原子在Ir中的溶出能对其浓度变化十分敏感，有利于金刚石颗粒的平移和旋转，从而快速达到取向一致。不同Ir复合衬底异质外延沉积单晶金刚石膜质量比较显示，如 Ir/MgO（001）衬底上沉积的金刚石在质量方面表现较好，具有较小的倾斜 / 扭曲角度等优势。

提高形核密度的工艺

偏压增强形核技术：1991年，Yugo等最先提出偏压增强形核技术。该团队在偏压大小为某特定值时获得了10¹⁰cm^-2的形核密度，随后将该技术应用于热丝化学气相沉积工艺中，同样也提高了形核密度。北京科技大学李义锋等利用偏压加强工艺开展了衬底的异质外延形核研究，使得外延层形核密度达10⁸—10⁹cm^-2。

离子辐照技术：日本Othsuka等采用热阴极直流等离子体化学气相沉积结合离子辐照技术，在Ir/MgO（001）衬底上首次获得密度为10⁸cm^-2的异质外延金刚石颗粒。这种技术通过离子辐照为金刚石的形核提供了有利条件，促进了高质量大尺寸单晶金刚石的沉积。

异质外延沉积大尺寸单晶金刚石示意图  图源：论文

2、三维生长法

原理

金刚石材料中同一族晶面具有相同生长特性，可在籽晶（100）晶面生长至一定厚度时，打磨侧面继续生长，利用三维生长法扩大籽晶面积。

应用及局限

Yamada等最早通过在生长过程中加入氮气并利用半封闭衬底托的方式，经过漫长的实验，在一个衬底上经过无加工的24次重复生长，成功获得了一颗10mm厚，重达4.65ct（1ct=200mg）的金刚石。还有研究人员通过在沉积过程中添加氮气在高压下实现了较快的生长速度并且成功制备出一颗18mm厚的单晶金刚石。

经过24次重复生长的金刚石  图源：论文

3、马赛克拼接

技术路线

率先由Geis等提出，该方法首次在硅衬底上沉积出晶体结构近似单晶的面积约为1cm²厚度为某值的金刚石立方体，但是其表面存在可见的拼接缝。

研究进展

Yan 等采用 16 颗 4mm×4mm 作为籽晶实现了2.56cm²的单晶金刚石同质外延生长，但对籽晶和沉积环境要求严格。我国高校及科研院所在这方面研究起步较晚，与国外存在差距，不过也取得了一些成果，如山东大学等通过研究取得了一定进展。

马赛克拼接法制备大尺寸单晶金刚石  图源：论文

单晶金刚石作为极具潜力的半导体材料，其衬底制备及加工技术的研究至关重要。虽然目前已经取得了不少进展，但仍然面临诸多挑战。希望通过科研人员的不断努力，能够进一步突破技术瓶颈，实现大尺寸单晶金刚石在半导体领域的广泛应用，为半导体产业的发展带来新的机遇和突破。

   第八届国际碳材料大会暨产业展览会

金刚石前沿应用及产业发展论坛 

扫码，立即预报名，了解详情

第八届国际碳材料大会暨产业展览会（Carbontech 2024），将于12月5-7日在上海新国际展览中心召开。

近年来，金刚石功能化器件在多个领域的重要性日益凸显，尤其在芯片行业中，金刚石的应用前景备受瞩目，其商业化应用已近在眼前。金刚石在芯片（芯）、热管理（热）、光学（光）和存储（储）等多功能领域的应用，已经成为行业关注的焦点。面对这一趋势，如何推动金刚石的产业化进程，如何通过创新来更新换代金刚石产品，并结合新的应用场景来开拓新的市场空间，成为了亟待解决的问题。

为了应对这些挑战，Carbontech 2024金刚石前沿应用及产业发展论坛将对金刚石产业的现状进行深入分析。论坛涉及三大主题：金刚石产业现状与趋势、金刚石生长与前沿应用、热管理应用及产业化解决方案。论坛将聚焦于当前热管理应用中的难题，并探讨可能的解决方案。此外，论坛还将探索金刚石在“芯+热+光+储”等前沿领域的功能化应用，以期发现并解锁其在这些领域中的潜力和可能性。通过这些讨论，论坛旨在为金刚石行业的创新发展提供思路，推动行业的持续进步和市场的扩展。

同期，展会将会针对金刚石及其功能化应用主题、半导体超精密加工设置10000㎡专题展区，将展示最新金刚石晶圆、量子钻石、热沉金刚石等功能化产品及相关器件，欢迎莅临现场交流、合作。

     /让专业的人相聚，共同陪伴中国金刚石产业发展/  

Carbontech 2024 W1馆部分参展企业：

说明：本文部分素材来自网络公开信息，由作者重新编写，转载请备注来源，本平台发布仅为了传达一种不同视角，不代表对该观点赞同或支持。