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和器件研制還存在諸多困難，但可以預(yù)測半導(dǎo)體金剛石材料及器件的應(yīng)用極有可能在不久的將來帶來科學(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)室無內(nèi)部電極，從而杜絕了電極污染的問題，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。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，還要有高的生長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)生長法，三維生長法和拼接生長法。重復(fù)生長法是在生長過程中，每生長一段吋間后將樣品取出，對(duì)樣品生長面進(jìn)行拋光清洗等處理后繼續(xù)生長，如此重復(fù)多次，以實(shí)現(xiàn)大尺寸金剛石的生長。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。研究表明，重復(fù)生長法能在縱向生長出較厚的單晶，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。三維生長法需要結(jié)合重復(fù)生長法，首先在襯底表面 (100) 面采用重復(fù)生長法生長一定的厚度，對(duì)樣品表面進(jìn)行拋光處理后，再以側(cè)面 (010) 作為生長面進(jìn)行生長，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)量逐漸變差的問題。另外，多次生長及表面處理帶來的低效率，高成本，也是一個(gè)主要問題。拼接生長法又稱馬賽克法，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)生長和三維生長，拼接法生長在制備大面積單晶金剛石方面具有明顯的優(yōu)勢，不僅面積大，且晶體質(zhì)量較好 ( 接縫處除外 )。但拼接生長法也存在缺點(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，所以采用拼接生長法生長單晶金剛石在小襯底拼接處無法避免形成缺陷，甚至導(dǎo)致開裂。H.Yamaha 等人采用拼接生長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裂痕的生長面。拼接生長法還存在一個(gè)問題，由于沉積面積較大，襯底的不同位置所處的生長條件有較大的差別，最終導(dǎo)生長單晶金剛石質(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)通過在不同側(cè)面反復(fù)進(jìn)行生長的方法，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)大生長對(duì)于大單晶的生長來說并不是一個(gè)優(yōu)選的方法。相較于三維生長方法，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，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。但總的來說，馬賽克拼接技術(shù)為大尺寸單晶金剛石的生長提供了一個(gè)有效途徑，并且隨著生長工藝的進(jìn)步和完善，由拼接界面造成的金剛石生長的表面質(zhì)量的問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)生長以來，大批量單晶金剛石的生長越來越受到研究者們的關(guān)注。為了提高生長率，可以采用多片生長方法。