金刚石的优异物理化学性质使其广泛应用于许多领域。金刚石为间接带隙半导体材料，禁带宽度约为5.2eV，热导率高达 22W/(cm•K)，室温电子和空穴迁移率高达 4500cm2/(V.s) 和 3380cm2/(V.s)，远远高于第三代半导体材料 GaN 和 SiC，因此金刚石在高温工作的大功率的电力电子器件，高频大功率微波器件方面具有广泛的应用前景，另外由于金刚石具有很大的激子束缚能(80meV)，使其在室温下可实现高强度的自由激子发射( 发光波长约为 235nm)，在制备大功率深紫外发光二极管方面具有较大的潜力，其在极紫外深紫外和高能粒子探测器的研制中也发挥重要作用。尽管目前半导体金刚石材料的生长和器件研制还存在诸多困难，但可以预测半导体金刚石材料及器件的应用极有可能在不久的将来带来科学技术的重大变革。

　单晶金刚石的制备方法主要有高温高压（HPHT）法和化学气相沉积（CVD）法。高温高压法采用金属触媒制备的单晶金刚石中会不可避免地掺入较多的金属杂质，难以满足半导体器件对材料的要求。CVD 法主要有热丝 CVD 法，直流喷射 CVD 法，直流放电 CVD 法，射频 CVD 法以及微波等离子体 CVD(MPCVD) 法，其中MPCVD 法具有许多优点，是目前公认的制备高质量单晶金刚石的**方法。MPCVD 反应室无内部电极，从而杜绝了电极污染的问题，并且微波功率可连续平稳的调节，微波能量转化率高，等离子体密度高，反应腔室内条件稳定，这些特点使 MPCVD 在制备高质量半导体金刚石方面独具优势。半导体器件对于材料的质量有很高的要求，缺陷的引入会给半导体材料的电学和光学性能造成严重的影响，因此，高质量的金刚石材料是保证其半导体应用的关键。另外对于单晶金刚石衬底材料的生长，还要有高的生长速率以及大的晶体尺寸。要实现金刚石的半导体功能需要对其进行有效的掺杂，使其具备良好的 n 型或 p 型导电性质。然而，目前 MPCVD 制备单晶金刚石在生长边率，材料尺寸，晶体尺寸以及半导体掺杂方面还难以达到高性能半导体器件的要求。

半导体单晶金刚石衬底的制备

　　扩大 CVD 金刚石衬底的晶体尺寸以及实现单晶金刚石的高速生长是制备高质量大尺寸半导体金刚石材料的前提条件。

　　MPCVD 制备大面积单晶金刚石主要有三种方法，即重复生长法，三维生长法和拼接生长法。重复生长法是在生长过程中，每生长一段吋间后将样品取出，对样品生长面进行抛光清洗等处理后继续生长，如此重复多次，以实现大尺寸金刚石的生长。对样品表面进行抛光的目的是去除外延层表面形成的台阶和多晶等，以保证继续生长。研究表明，重复生长法能在纵向生长出较厚的单晶，但难以实现有效的横向外延，对单晶金刚石面积的扩展十分有限。三维生长法需要结合重复生长法，首先在衬底表面 (100) 面采用重复生长法生长一定的厚度，对样品表面进行抛光处理后，再以侧面 (010) 作为生长面进行生长，如此反复多次，以实现大面积单晶金刚石的沉积。同样，三维生长法也存在随着中断次数的增多，晶体质量逐渐变差的问题。另外，多次生长及表面处理带来的低效率，高成本，也是一个主要问题。拼接生长法又称马赛克法，它是一种将多个大小，厚度和晶向都一致的方形小金刚石衬底相互拼合在一起形成一个较大的衬底，并在其上沉积出大面积单晶金刚石的生长方法。不同小衬底相拼接的位置要保证晶向一致，晶向上的偏差将直接影响外延的品质，所以拼接法生长的一个关键因素在于如何获得晶向高度一致的小衬底。相比重复生长和三维生长，拼接法生长在制备大面积单晶金刚石方面具有明显的优势，不仅面积大，且晶体质量较好 ( 接缝处除外 )。但拼接生长法也存在缺点，由于采用小衬底相互拼接的方式，要实现小衬底之间的完美匹配非常困难，所以采用拼接生长法生长单晶金刚石在小衬底拼接处无法避免形成缺陷，甚至导致开裂。H.Yamaha 等人采用拼接生长法制备了大面积单晶金刚石，当方形小衬底之间平行拼接时，外延层就会出现明显的裂痕；当小衬底拼接边缘进行处理形成一定的倾斜角时，形成的金刚石外延层具有平整无裂痕的生长面。拼接生长法还存在一个问题，由于沉积面积较大，衬底的不同位置所处的生长条件有较大的差别，最终导生长单晶金刚石质量不均一。这需要对反应腔结构进行优化，使等离子球分布更加均匀，从而提高大面积单晶金刚石衬底的均匀性。

　　Y Mokuno 等人采用尺寸为 10mmx10mm 的单晶金刚石籽晶作为衬底，利用 MPCVD 法并结合离子注入剥离技术通过在不同侧面反复进行生长的方法，成功外延出了尺寸达到 12x13x3.7mm3，重 4.65ct 的单晶金刚石，该尺寸己经远远超过了当时商业上 HPHT 法能够合成的**单晶金刚石尺寸，但该法受制于各种加工因素，实际操作流程颇为繁琐，因此三维扩大生长对于大单晶的生长来说并不是一个优选的方法。相较于三维生长方法，马赛克法是一个更快速得到大尺寸单晶的方法 ( 图2 所示 )，而且其操作流程简单。H.Yamada 等人利用离子注入剥离技术成功合成出了多片尺寸达到半英寸的单晶金刚石片，且其具有与籽晶相同的晶体特征，之后他们选择了其中较好的连成了马赛克基底，并进行了金刚石的外延生长，再次利用剥离技术和反复沉积的方法，最后合成出大尺寸单晶金刚石晶片。目前这个尺寸距金刚石半导体所需要的尺寸依然有一段距离。通常认为其尺寸要达到两英寸才能应用到半导体器件的研发上。但总的来说，马赛克拼接技术为大尺寸单晶金刚石的生长提供了一个有效途径，并且随着生长工艺的进步和完善，由拼接界面造成的金刚石生长的表面质量的问题也将逐渐得到解决。

　截至目前，由于生产成本高昂，单晶金刚石在市场上的应用处处受限，降低生产成本将会极大拓宽金刚石市场的应用价值，而降低成本的唯一途径就是提高效率实现批量生产。自 Asmussen 等人利用 915MHzMPCVD法成功实现近百个籽晶的同时生长以来，大批量单晶金刚石的生长越来越受到研究者们的关注。为了提高生长率，可以采用多片生长方法。