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(shù)、高擊穿電壓、杰出的熱導(dǎo)率、優(yōu)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(dǎo)體材料領(lǐng)域的“終極之選”。然而，盡管潛力巨大，單晶金剛石在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的大規(guī)模應(yīng)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(shù)，成為亟待攻克的核心難題。

大尺寸單晶金剛石工藝

化學(xué)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(zhì)量參差不齊，難以滿足工業(yè)化應(yīng)用的需求，而MPCVD法沉積英寸級單晶金剛石的制備技術(shù)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(zhì)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(zhì)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(guān)注，但Si與金剛石間較大的晶格失配度和表面能差異導(dǎo)致沉積的金剛石質(zhì)量不佳。經(jīng)過深入探索，Ir（銥）因其獨特的性質(zhì)成為目前唯一能實現(xiàn)高質(zhì)量、大尺寸異質(zhì)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(shù)和離子輻照技術(shù)是提升形核密度的兩大關(guān)鍵手段。偏壓增強形核技術(shù)通過施加特定偏壓顯著提高形核密度，而離子輻照技術(shù)則為金剛石的形核創(chuàng)造了有利條件，兩者均促進了高質(zhì)量大尺寸單晶金剛石的沉積。

偏壓增強形核技術(shù)：1991年，Yugo等最先提出偏壓增強形核技術(shù)。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(shù)應(yīng)用于熱絲化學(xué)氣相沉積工藝中，同樣也提高了形核密度。北京科技大學(xué)李義鋒等利用偏壓加強工藝開展了襯底的異質(zhì)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(shù)：日本Othsuka等采用熱陰極直流等離子體化學(xué)氣相沉積結(jié)合離子輻照技術(shù)，在Ir/MgO（001）襯底上首次獲得密度為108cm-2的異質(zhì)外延金剛石顆粒。這種技術(shù)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(zhì)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(cè)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(fù)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(yīng)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(jīng)過漫長的實驗，在一個襯底上經(jīng)過無加工的24次重復(fù)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(xiàn)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(shù)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(jīng)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(shù)對籽晶質(zhì)量和沉積環(huán)境要求極為嚴(yán)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(dǎo)體材料的潛力巨大，但其大尺寸襯底的制備技術(shù)仍面臨諸多挑戰(zhàn)。隨著科研工作的不斷深入，期待未來能夠突破技術(shù)瓶頸，實現(xiàn)大尺寸單晶金剛石在半導(dǎo)體領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。這不僅將為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)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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