金剛石的優(yōu)異物理化學(xué)性質(zhì)使其廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域。金剛石為間接帶隙半導(dǎo)體材料，禁帶寬度約為5.2eV，熱導(dǎo)率高達(dá) 22W/(cm?K)，室溫電子和空穴遷移率高達(dá) 4500cm2/(V.s) 和 3380cm2/(V.s)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于第三代半導(dǎo)體材料 GaN 和 SiC，因此金剛石在高溫工作的大功率的電力電子器件，高頻大功率微波器件方面具有廣泛的應(yīng)用前景，另外由于金剛石具有很大的激子束縛能(80meV)，使其在室溫下可實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度的自由激子發(fā)射( 發(fā)光波長(zhǎng)約為 235nm)，在制備大功率深紫外發(fā)光二極管方面具有較大的潛力，其在極紫外深紫外和高能粒子探測(cè)器的研制中也發(fā)揮重要作用。盡管目前半導(dǎo)體金剛石材料的生長(zhǎng)和器件研制還存在諸多困難，但可以預(yù)測(cè)半導(dǎo)體金剛石材料及器件的應(yīng)用極有可能在不久的將來(lái)帶來(lái)科學(xué)技術(shù)的重大變革。

　單晶金剛石的制備方法主要有高溫高壓（HPHT）法和化學(xué)氣相沉積（CVD）法。高溫高壓法采用金屬觸媒制備的單晶金剛石中會(huì)不可避免地?fù)饺胼^多的金屬雜質(zhì)，難以滿足半導(dǎo)體器件對(duì)材料的要求。CVD 法主要有熱絲 CVD 法，直流噴射 CVD 法，直流放電 CVD 法，射頻 CVD 法以及微波等離子體 CVD(MPCVD) 法，其中MPCVD 法具有許多優(yōu)點(diǎn)，是目前公認(rèn)的制備高質(zhì)量單晶金剛石的**方法。MPCVD 反應(yīng)室無(wú)內(nèi)部電極，從而杜絕了電極污染的問(wèn)題，并且微波功率可連續(xù)平穩(wěn)的調(diào)節(jié)，微波能量轉(zhuǎn)化率高，等離子體密度高，反應(yīng)腔室內(nèi)條件穩(wěn)定，這些特點(diǎn)使 MPCVD 在制備高質(zhì)量半導(dǎo)體金剛石方面獨(dú)具優(yōu)勢(shì)。半導(dǎo)體器件對(duì)于材料的質(zhì)量有很高的要求，缺陷的引入會(huì)給半導(dǎo)體材料的電學(xué)和光學(xué)性能造成嚴(yán)重的影響，因此，高質(zhì)量的金剛石材料是保證其半導(dǎo)體應(yīng)用的關(guān)鍵。另外對(duì)于單晶金剛石襯底材料的生長(zhǎng)，還要有高的生長(zhǎng)速率以及大的晶體尺寸。要實(shí)現(xiàn)金剛石的半導(dǎo)體功能需要對(duì)其進(jìn)行有效的摻雜，使其具備良好的 n 型或 p 型導(dǎo)電性質(zhì)。然而，目前 MPCVD 制備單晶金剛石在生長(zhǎng)邊率，材料尺寸，晶體尺寸以及半導(dǎo)體摻雜方面還難以達(dá)到高性能半導(dǎo)體器件的要求。

半導(dǎo)體單晶金剛石襯底的制備

　　擴(kuò)大 CVD 金剛石襯底的晶體尺寸以及實(shí)現(xiàn)單晶金剛石的高速生長(zhǎng)是制備高質(zhì)量大尺寸半導(dǎo)體金剛石材料的前提條件。

　　MPCVD 制備大面積單晶金剛石主要有三種方法，即重復(fù)生長(zhǎng)法，三維生長(zhǎng)法和拼接生長(zhǎng)法。重復(fù)生長(zhǎng)法是在生長(zhǎng)過(guò)程中，每生長(zhǎng)一段吋間后將樣品取出，對(duì)樣品生長(zhǎng)面進(jìn)行拋光清洗等處理后繼續(xù)生長(zhǎng)，如此重復(fù)多次，以實(shí)現(xiàn)大尺寸金剛石的生長(zhǎng)。對(duì)樣品表面進(jìn)行拋光的目的是去除外延層表面形成的臺(tái)階和多晶等，以保證繼續(xù)生長(zhǎng)。研究表明，重復(fù)生長(zhǎng)法能在縱向生長(zhǎng)出較厚的單晶，但難以實(shí)現(xiàn)有效的橫向外延，對(duì)單晶金剛石面積的擴(kuò)展十分有限。三維生長(zhǎng)法需要結(jié)合重復(fù)生長(zhǎng)法，首先在襯底表面 (100) 面采用重復(fù)生長(zhǎng)法生長(zhǎng)一定的厚度，對(duì)樣品表面進(jìn)行拋光處理后，再以側(cè)面 (010) 作為生長(zhǎng)面進(jìn)行生長(zhǎng)，如此反復(fù)多次，以實(shí)現(xiàn)大面積單晶金剛石的沉積。同樣，三維生長(zhǎng)法也存在隨著中斷次數(shù)的增多，晶體質(zhì)量逐漸變差的問(wèn)題。另外，多次生長(zhǎng)及表面處理帶來(lái)的低效率，高成本，也是一個(gè)主要問(wèn)題。拼接生長(zhǎng)法又稱馬賽克法，它是一種將多個(gè)大小，厚度和晶向都一致的方形小金剛石襯底相互拼合在一起形成一個(gè)較大的襯底，并在其上沉積出大面積單晶金剛石的生長(zhǎng)方法。不同小襯底相拼接的位置要保證晶向一致，晶向上的偏差將直接影響外延的品質(zhì)，所以拼接法生長(zhǎng)的一個(gè)關(guān)鍵因素在于如何獲得晶向高度一致的小襯底。相比重復(fù)生長(zhǎng)和三維生長(zhǎng)，拼接法生長(zhǎng)在制備大面積單晶金剛石方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，不僅面積大，且晶體質(zhì)量較好 ( 接縫處除外 )。但拼接生長(zhǎng)法也存在缺點(diǎn)，由于采用小襯底相互拼接的方式，要實(shí)現(xiàn)小襯底之間的完美匹配非常困難，所以采用拼接生長(zhǎng)法生長(zhǎng)單晶金剛石在小襯底拼接處無(wú)法避免形成缺陷，甚至導(dǎo)致開(kāi)裂。H.Yamaha 等人采用拼接生長(zhǎng)法制備了大面積單晶金剛石，當(dāng)方形小襯底之間平行拼接時(shí)，外延層就會(huì)出現(xiàn)明顯的裂痕；當(dāng)小襯底拼接邊緣進(jìn)行處理形成一定的傾斜角時(shí)，形成的金剛石外延層具有平整無(wú)裂痕的生長(zhǎng)面。拼接生長(zhǎng)法還存在一個(gè)問(wèn)題，由于沉積面積較大，襯底的不同位置所處的生長(zhǎng)條件有較大的差別，最終導(dǎo)生長(zhǎng)單晶金剛石質(zhì)量不均一。這需要對(duì)反應(yīng)腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使等離子球分布更加均勻，從而提高大面積單晶金剛石襯底的均勻性。

　　Y Mokuno 等人采用尺寸為 10mmx10mm 的單晶金剛石籽晶作為襯底，利用 MPCVD 法并結(jié)合離子注入剝離技術(shù)通過(guò)在不同側(cè)面反復(fù)進(jìn)行生長(zhǎng)的方法，成功外延出了尺寸達(dá)到 12x13x3.7mm3，重 4.65ct 的單晶金剛石，該尺寸己經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了當(dāng)時(shí)商業(yè)上 HPHT 法能夠合成的**單晶金剛石尺寸，但該法受制于各種加工因素，實(shí)際操作流程頗為繁瑣，因此三維擴(kuò)大生長(zhǎng)對(duì)于大單晶的生長(zhǎng)來(lái)說(shuō)并不是一個(gè)優(yōu)選的方法。相較于三維生長(zhǎng)方法，馬賽克法是一個(gè)更快速得到大尺寸單晶的方法 ( 圖2 所示 )，而且其操作流程簡(jiǎn)單。H.Yamada 等人利用離子注入剝離技術(shù)成功合成出了多片尺寸達(dá)到半英寸的單晶金剛石片，且其具有與籽晶相同的晶體特征，之后他們選擇了其中較好的連成了馬賽克基底，并進(jìn)行了金剛石的外延生長(zhǎng)，再次利用剝離技術(shù)和反復(fù)沉積的方法，最后合成出大尺寸單晶金剛石晶片。目前這個(gè)尺寸距金剛石半導(dǎo)體所需要的尺寸依然有一段距離。通常認(rèn)為其尺寸要達(dá)到兩英寸才能應(yīng)用到半導(dǎo)體器件的研發(fā)上。但總的來(lái)說(shuō)，馬賽克拼接技術(shù)為大尺寸單晶金剛石的生長(zhǎng)提供了一個(gè)有效途徑，并且隨著生長(zhǎng)工藝的進(jìn)步和完善，由拼接界面造成的金剛石生長(zhǎng)的表面質(zhì)量的問(wèn)題也將逐漸得到解決。

　截至目前，由于生產(chǎn)成本高昂，單晶金剛石在市場(chǎng)上的應(yīng)用處處受限，降低生產(chǎn)成本將會(huì)極大拓寬金剛石市場(chǎng)的應(yīng)用價(jià)值，而降低成本的唯一途徑就是提高效率實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。自 Asmussen 等人利用 915MHzMPCVD法成功實(shí)現(xiàn)近百個(gè)籽晶的同時(shí)生長(zhǎng)以來(lái)，大批量單晶金剛石的生長(zhǎng)越來(lái)越受到研究者們的關(guān)注。為了提高生長(zhǎng)率，可以采用多片生長(zhǎng)方法。