单晶金刚石作为一种性能优异的半导体材料，在功率器件、深空探测等领域具有广阔的应用前景。然而采用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法制备的单晶金刚石通常含有大量的缺陷，尤其是位错，严重限制了其电学性能的发挥。横向外延生长是半导体材料中常用的缺陷调控方法，近年也被应用于金刚石材料制备领域。本研究首先通过金属催化等离子体刻蚀在单晶金刚石籽晶上构造图形阵列，从而为同质外延单晶制备创造横向生长条件；随后通过MPCVD法在此基础上进行单晶金刚石制备，研究了横向外延生长过程并对样品进行了激光共聚焦显微镜、偏光显微镜、Raman光谱和缺陷密度测试。测试表明该方法能够稳定可控的制备图形化生长所需的阵列并降低生长层的缺陷密度。

金刚石优异的物理性质使其成为下一代最有发展潜力的半导体材料之一。目前来看, 基于微波等离子体化学气相沉积的异质外延可能是未来制备大尺寸单晶金刚石的最佳方法。在过去的三十年间, 铱复合衬底上异质外延生长单晶金刚石取得了一定进展, 特别是近几年实现了2英寸(1英寸=2.54 cm)以上的大尺寸自支撑单晶金刚石的生长。本文总结了金刚石异质外延用的衬底, 简要介绍了异质衬底上的偏压增强成核, 详细介绍了目前最成功的铱/氧化物、铱/氧化物层/硅复合衬底, 最后对金刚石异质衬底和异质外延进行了总结, 指出目前存在的问题并给出了一些可能的解决思路。

随着第3代半导体的应用，电子器件向高功率、小型化发展，由此带来的“热”问题逐渐凸显，金刚石由于其超高的热导率及稳定的性质，被认为是最优的散热材料之一。简要介绍了微波等离子体化学气相沉积装备的原理及发展历程，对比分析了不同种类生长设备的差异，对单晶、多晶及纳米晶金刚石在器件散热应用中的现状进行总结，结合第3代半导体总结了金刚石增强散热产业化过程中将面临的性能与尺寸方面的瓶颈问题及金刚石材料“大、纯、快”的发展方向，并对散热应用的未来研究方向做出展望。

采用微波等离子体化学气相沉积，在不同的沉积条件下得到两种微米金刚石颗粒薄膜，通过拉曼光谱仪和X射线仪分析了两种薄膜的成分，用扫描电子显微镜分析了两种薄膜的表面形貌，用二级结构的场发射装置研究了薄膜的场发射性能，最终分析并讨论了场发射性能优异的微米金刚石薄膜的特征。

采用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)技术, 通过改变气源中的氮含量, 得到不同结晶质量的单晶金刚石, 通过激光切割以及抛光控制样品尺寸为5 mm×5 mm×0.5 mm, 然后对样品进行表面氢化处理并研制了金刚石射频器件, 系统研究了氮含量对金刚石材料晶体质量和金刚石射频器件性能的影响。随着氮含量的增加, 虽然单晶金刚石生长速率有所增加, 但是其拉曼半峰全宽(FWHM)、XRD摇摆曲线半峰全宽也逐渐增加, 光致发光光谱中对应的NV缺陷逐渐增多, 晶体结晶质量逐渐变差, 不仅导致沟道载流子的迁移率出现退化, 而且也使金刚石射频器件出现了严重的电流崩塌和性能退化问题。通过降低氮浓度, 提升材料的结晶质量, 沟道载流子迁移率得到显著提升, 金刚石射频器件的电流崩塌得到有效抑制, 电流增益截止频率fT和功率增益截止频率fmax分别从17 GHz和22 GHz大幅度提升至32 GHz和53 GHz。

采用微波等离子化学气相沉积方法, 以甲烷和氢气为反应气体, 在镀有金属钛的陶瓷衬底上, 制备了微米金刚石聚晶薄膜。利用扫描电镜、拉曼光谱、X射线光电子能谱对薄膜的化学组成、微观结构和表面形貌进行了表征。用二级结构的场发射仪和扫描隧道显微镜研究了薄膜的场发射性能, 结果表明微米金刚石聚晶薄膜发射点主要来源于聚晶颗粒。进一步研究了单个聚晶颗粒表面不同区域的发射性能, 发现多种因素对场发射的性能有影响。

微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法产生的等离子体密度高，材料外延生长过程可控性好且洁净度高，是制备高质量金刚石膜的重要方法。基于谐振腔理论和三维全波电磁场仿真，对MPCVD设备微波系统中谐振腔、模式转换器、样品托等影响微波传输效率及电场分布形态的部件进行设计和优化，并通过对微波传输系统关键参量的测试和监控，研究系统调试变量对金刚石外延生长的影响。基于自研的MPCVD设备，实现较高品质金刚石膜的合成，金刚石有效生长区域为50 mm圆面，外延生长速度10~25 μm/h，单晶样品的表征结果显示合成的金刚石透光率接近理论值，材料的结晶程度良好，氮、硅等杂质含量较低。

研究了金刚石聚晶碳膜的生长过程, 以及不同生长阶段碳膜的场发射性能。通过磁控溅射法在陶瓷上镀一层金属钛作为制备碳膜的衬底, 将衬底放入微波等离子体化学气相沉积腔中, 经过不同的沉积时间制备出一系列的碳膜。利用SEM、Raman光谱仪、X射线衍射仪等仪器, 对碳膜进行了形貌与成分分析, 最后利用二极结构场发射装置, 测试了碳膜的场发射性能。着重讨论了金刚石聚晶碳膜生长过程中的变化, 并且对金刚石聚晶碳膜的场发射机理进行了深入研究。

在纯平的陶瓷衬底上面, 利用磁控溅射方法镀上一层金属钛。对金属钛层进行表面缺陷处理后, 放入微波等离子体化学气相沉积腔中, 利用正交实验方法制备出场发射性能最优的薄膜, 通过扫描电镜、X射线衍射仪、拉曼光谱仪等仪器,研究了薄膜的微观表面形态、结构组成等, 得到了该薄膜是球状微米金刚石薄膜的结论。并进一步研究了最优场发射薄膜的发射机理。

采用微波等离子体气相沉积(MPCVD)在商用3 mm×3 mm×1 mm高温高压合成(HPHT)Ib型(100) 金刚石衬底上同质外延生长B掺杂金刚石薄膜，并在此材料的基础上用磁控溅射和电子束蒸镀技术制备了不同结构参数金刚石肖特基势垒二极管。测试结果表明：所生长的金刚石薄膜表面非常平整，可以看到比较明显的原子台阶；所制备的器件具有明显的整流特性，肖特基电极直径100 μm，肖特基电极和欧姆电极间距10 μm，外加电压-15 V，300 K时测得器件正向导通电阻20 Ω，反向饱和电流近似为10-6 A，反向击穿电压大约103.5 V；电极间距越大，反向击穿电压越高, 器件正向电流越小。