国际上通常采用同质外延生长和异质外延生长两种途径来制备高质量大尺寸单晶金刚石。

第一种是同质外延法。通过同质外延生长虽然可以复制衬底的晶体结构获得高质量的单晶外延层，但受到金刚石晶种尺寸的限制，难以满足半导体技术对金刚石尺寸的要求。即使基于马赛克拼接法克服了晶种尺寸的限制，但在拼接的小尺寸金刚石单晶体上也存在拼接缝隙、界面位错和缺陷等问题，影响外延单晶金刚石晶片质量。

第二种是异质外延法。对于金刚石异质外延，必须满足两个主要要求，即找到最佳衬底和适当的成核方法，即使用负直流电压的偏压增强成核 (BEN)是最强大的成核技术，而铱（Ir)是无可比拟的衬底材料。研究人员实验了各种衬底材料（Si、SiC、Cu、Ni、Re、TiC），与铱相比，在这些替代衬底上，外延金刚石晶粒的密度明显较低，并且它们的取向分布更宽。因此，即使延长生长时间也从未将外延膜变成真正的单晶金刚石。

20 世纪 90 年代后期，开始采用铱薄膜上金刚石单晶异质外延生长技术。至2017年，德国奥格斯堡大学在金属铱衬底上生长的单晶金刚石晶圆直径达到92 mm。近年来，日本研究机构在金刚石的半导体应用方面走在了前列。Orbray株式会社开发出阶梯生长技术，以蓝宝石（Sapphire）为衬底，倾斜的铱（Ir)作为过渡层，异质外延生长（Heteroepitaxial Growth）单晶金刚石晶圆，如今已经成功制造出直径为2英寸的金刚石晶圆，未来目标是实现 4 英寸和 6 英寸生长。