三菱：绝缘衬底+无预处理双突破！金刚石CVD生长技术再升级

金刚石凭借超高热导率、约5.5 eV的宽禁带特性及优异的化学稳定性，在高功率电子器件、热管理、辐射探测、量子信息等前沿领域具备不可替代的应用潜力。在金刚石薄膜制备技术中，化学气相沉积（CVD）已成为实现大面积生长的主流路径，但当前技术体系仍存在两大核心瓶颈，严重制约其规模化应用与场景拓展。

首要瓶颈为衬底材料的局限性。目前，金刚石外延及多晶生长主要依赖硅（Si）、铱（Ir）等衬底，此类材料导电性较强，难以构建电绝缘结构，极大阻碍了横向器件等特殊结构的研发与应用。第二个瓶颈是对预处理步骤的依赖，在非金刚石衬底上生长金刚石时，需通过机械划伤、种子铺覆或偏压增强成核（BEN）等手段提升成核密度，这不仅增加了工艺复杂度、降低生产效率，也限制了其规模化推广。因此，实现“无预处理、绝缘衬底上的金刚石直接成核与生长”，成为突破当前技术困境的核心目标。

近日，三菱化学株式会社与千叶工业大学的联合研究团队，在《AIP Advances》期刊发表题为“Chemical vapor deposition of diamond directly on MgO substrates without surface pretreatment” 的研究论文，创新性提出一种无需表面预处理即可在绝缘衬底上直接生长金刚石的新方法，为解决上述技术难题提供了全新解决方案。

该研究紧扣长期困扰金刚石薄膜制备领域的核心痛点——如何在绝缘衬底上实现高质量、可控制的金刚石直接生长，同时简化工艺流程。研究团队选取氧化镁（MgO）单晶作为绝缘衬底研究载体，重点探究不同晶面取向对金刚石生长行为的影响，选取（100）、（110）、（111）三种典型晶面，在微波等离子体CVD（MPCVD）条件下开展系统性对比实验。

实验采用标准MPCVD工艺，以100 sccm的H₂和10 sccm的CH₄作为反应气体，严格控制衬底温度1000℃、反应压力150 Torr、微波功率1.5 kW。生长前仅对MgO衬底进行丙酮超声清洗，未施加任何成核促进类预处理步骤。经过30分钟生长后，扫描电子显微镜（SEM）与拉曼光谱测试结果呈现显著差异：MgO(111)表面金刚石晶粒密集分布，成核密度突破10⁸ cm⁻2，平均粒径约1 μm，形成连续覆盖的薄膜；MgO(110)表面仅检测到少量低结晶度金刚石，其拉曼光谱中1332 cm⁻1特征峰宽化明显；MgO(100)表面则几乎未出现可见金刚石晶粒，仅能观察到等离子体刻蚀引发的表面粗糙化现象。

拉曼光谱测试进一步佐证了实验结论：MgO(111)与(110)衬底表面均出现清晰的sp3杂化金刚石特征峰（1332 cm⁻1），其中MgO(111)面特征峰的半高全宽仅为7.61 cm⁻1，结晶质量远优于MgO(110)面的66.8 cm⁻1。为明确成核规律，研究团队将生长时间缩短至10分钟、20分钟，发现MgO(111)面上的金刚石在10分钟内已启动成核，且成核密度随生长时间快速提升，证实该衬底上金刚石的成核与生长过程同步进行，进一步凸显了其独特优势。

为验证该方法的实际应用价值，研究团队将生长时间延长至4小时，成功在MgO（111）衬底上制备出可剥离的自支撑金刚石薄膜。该薄膜为多晶结构，晶粒尺寸达到微米级，其拉曼光谱中1332 cm⁻1特征峰的半峰宽约为6.35 cm⁻1，性能与传统经预处理硅衬底上生长的金刚石薄膜持平，充分证明该方法不仅能实现金刚石初始成核，更具备规模化制备高质量金刚石薄膜的能力。

综上，该研究从实验与理论双重层面证实：通过合理筛选衬底晶面，可在无需任何预处理的前提下，实现绝缘衬底上金刚石的高密度成核与连续薄膜生长。其中，MgO（111）晶面展现出类似“自激活衬底”的特性，在金刚石CVD生长过程中同步发挥催化与承载作用。这一突破性发现，不仅为简化金刚石制备工艺、降低生产成本提供了全新路径，也为拓展金刚石在电子器件领域的应用场景奠定了重要基础。

从产业应用视角来看，该技术可推动金刚石电子器件向更复杂结构升级，助力横向器件、电隔离结构及高集成度模块的研发落地；同时，预处理步骤的去除的能够有效提升工艺一致性、降低制造成本，加速金刚石材料在各前沿领域的产业化进程，为相关产业发展注入新动能。

图文导读

图1. 经30分钟CVD生长后的MgO衬底的俯视SEM图像：[(a)和(b)] (100)取向，[(c)和(d)] (110)取向，以及[(e)和(f)] (111)取向。(g) 经30分钟CVD生长后的MgO衬底的拉曼光谱，插图中显示了(111)和(110)取向在1332 cm−1附近区域的放大图

图2. CVD生长后MgO(111)衬底的俯视SEM图像，其中[(a)和(b)]为生长10分钟，[(c)和(d)]为生长20分钟。

图3. （上）CH₃自由基吸附以及通过CH₃自由基在MgO(100)、(110)和(111)表面耦合形成的C₂H₆分子脱附的计算能图，分别用红色、绿色和蓝色曲线表示。能量以MgO表面与CH₃自由基的解离能为基准进行测量。所有能量单位均为eV。（下）吸附在MgO (100)、(110)和(111)表面上的CH₃自由基的优化结构，图中标出了CH₃中的C原子与MgO表面中的Mg原子之间的平均距离。白色、棕色、红色和金色球体分别代表 H、C、O 和 Mg 原子。结构可视化采用 VESTA 软件完成

图4. (a) CVD处理后的MgO (111)衬底照片，以及(b) 悬浮金刚石薄膜的照片。[(c) 和 (d)] 悬浮金刚石薄膜的俯视SEM图像。

来源： 未来产链

*声明：本文由作者原创。文章内容系作者个人观点，宽禁带半导体技术创新联盟转载仅为了传达一种不同的观点，不代表本联盟对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎联系我们。