高压MPCVD驱动横向外延，单晶金刚石大尺寸生长新成果

单晶金刚石因具有超宽带隙、高载流子迁移率、极高热导率等“终极半导体”特性，在高功率、高频、高温电子器件、量子计算、紫外探测器等领域展现出巨大潜力。

然而，当前单晶金刚石基片尺寸普遍较小（通常厘米级），缺陷密度较高，难以满足半导体产业对大尺寸、高均匀性衬底的需求。传统同质外延或马赛克拼接方法虽能实现一定面积扩展，但易产生多晶金刚石（PCD）边缘、应力积累和位错传播等问题，导致可用面积大幅缩减。

近期，来自印度理工学院的研究团队在期刊《Carbon》发表论文“Investigation on the epitaxial lateral outward growth of single crystal diamond using MPCVD growth technique: Simulation insights under high pressure conditions”。

论文系统结合多物理场模拟与实验，揭示了微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）技术在高气压条件下实现单晶金刚石（SCD）外延横向外向生长（Epitaxial Lateral Outward Growth）的关键机理，为解决大面积高质量单晶金刚石基片制备这一行业瓶颈提供了重要理论与工艺参考。

这篇论文提出了一种简便高效的新路径：利用微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）技术，在开放式基座和高气压条件下实现单晶金刚石的外延横向外向生长（Epitaxial Lateral Outward Growth）。无需复杂的“口袋式”基座或机械预制斜角，生长过程中会自发形成合适的外向倾斜角（off-angle），从而让晶体从中心向四周自然扩展，同时有效抑制边缘多晶金刚石（PCD）边框的形成。

研究团队结合多物理场模拟（COMSOL）和实验验证，系统对比了不同气压（100–165 Torr）下的生长行为。模拟结果显示：在较低气压下，等离子体温度分布导致“热边缘、冷中心”，生长方向向内，容易在边缘形成多晶边框；而在高压（尤其是165 Torr）下，气体温度峰值移至中心区域，促使生长步骤从中心向边缘推进，自发形成约3–4°的外向off-angle，形成了凸面形貌。这一结构像“保护伞”一样，减少了边缘与高温等离子体的直接接触，有效抑制了二次成核。

实验中，研究者使用10 mm×10 mm的(100)取向单晶金刚石种子，在H₂/CH₄混合气体中进行生长。结果在165 Torr高压条件下，横向生长显著启动，最终晶体尺寸扩大至约12.56 mm×12.59 mm，面积增加59%，且边缘完全无多晶边框。同时，横向生长速率与垂直生长速率之比达到1.27，表明晶体更倾向于向侧面扩展。

这一技术不仅实现了面积的快速扩大，还同步提升了横向延伸区域的晶体质量，为后续制备大尺寸、高均匀性金刚石基片提供了可复制的工艺方案。论文强调，高压诱导的自形成off-angle是调控气体自由基分布和温度梯度的关键机制，模拟与实验结果高度吻合，具有良好的可重复性。