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本文采用微波等离子体CVD法,在单晶金刚石衬底的(100)、(110)以及(111)晶面上分别进行了同质外延单晶金刚石的研究。具体研究内容包括以下三个方面:1、在(100)晶面进行同质外延单晶金刚石研究。分析了H2/O2等离子体刻蚀的作用和机理;研究了甲烷浓度、衬底温度和沉积气压对等离子体发射光谱和金刚石生长的影响,以及CVD和HTHP这两种单晶衬底对金刚石生长的影响。结果发现:(100)晶面经过等离子体刻蚀处理后,表面呈现倒置的四面体刻蚀坑,深而大的刻蚀坑是由于该区域位错拓展范围广;衬底温度的变化不会影响等离子体基团的浓度,仅仅只是改变了金刚石生长过程的化学反应动力学过程。金刚石的生长速率随衬底温度的升高而增加,但是温度过高或者过低都会降低金刚石的质量;C2、Hβ、Hγ和CH基团的谱线强度随甲烷浓度的提高而增加,其中C2基团的谱线强度显著增加,而Hα基团的谱线强度几乎没有改变。含碳基团浓度的大幅度增加直接使得金刚石的生长速率加快,但是降低了金刚石的质量;随着气压的升高,等离子体中基团的谱线强度都随之增加,这使得金刚石的生长速率提高而质量却不降低;CVD和HTHP衬底上都能够生长无色透明的单晶金刚石,但是HTHP衬底上生长的单晶金刚石包含有几个不同的微面,且容易出现非外延结晶,CVD衬底则不存在这些问题。通过上述的研究,采用最佳生长参数,在CVD衬底上同质外延生长出了无色透明的单晶金刚石,其生长速率达到25μm/h,SEM显示表面形貌非常好,没出现非外延结晶,Raman光谱表明单晶金刚石的质量高。2、在(110)晶面进行同质外延单晶金刚石的研究。研究了甲烷浓度对(110)晶面生长速率的影响,并将其和(100)晶面作了对比分析;研究了(110)晶面同质外延的特点。结果发现:在对等生长条件下,(110)晶面生长速率高于(100)晶面,这种速率差异与不同晶面的生长模式密切相关;(110)晶面生长后呈现出四面体山丘形貌,这些四面体分别由(113)和(100)微面组成,没有出现非外延结晶。同时,Raman表明该晶面生长的金刚石质量高;在生长过程中,金刚石的宏观晶形发生了变化,四周出现了其它微面,而中心(110)晶面区域明显减小,显然(110)晶面不适合用来生长大的单晶金刚石。3、在(111)晶面进行同质外延单晶金刚石的研究。研究了甲烷浓度、衬底温度以及微小偏离(111)晶面一定角度的衬底面对金刚石生长的影响。结果发现:高衬底温度、高甲烷浓度条件下,金刚石呈现出无序的多晶生长,随着温度的降低,形貌和质量明显提高,在低衬底温度下金刚石表现出一致的单晶生长,但是表面较为粗糙,进一步降低甲烷浓度可外延生长质量高、表面平整的单晶金刚石;将部分单晶衬底面作倾斜抛光处理,获得一个偏离(111)晶面约6o的斜面。对比实验发现,微小偏离(111)晶面的斜面衬底在高衬底温度、高甲烷浓度条件下生长出质量较好的单晶金刚石,而生长速率明显提高。