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在半导体器件应用中，(110) 单晶金刚石较 (100) 金刚石有优势，但对其外延生长研究少。研究人员优化 (110) 金刚石生长条件并长时间生长，发现合适条件，得到有膨胀区域的 1mm 厚独立 (110) 金刚石板，为相关材料和器件制备提供新思路。
在半导体领域，金刚石凭借其出色的性能，成为极具潜力的材料。它是一种超宽带隙半导体，拥有高击穿场（约 10MV/cm）、高载流子迁移率（电子为 4500 cm
2/(V?s) ，空穴为 3800 cm
2/(V?s) ）、高导热率（约 2200 W/(m?K)）以及低介电常数（5.7）等卓越特性。这使得它在高频、大功率、高温以及抗辐射等应用场景中前景广阔。例如，利用氢终止金刚石表面二维空穴气（2DHG）通道的金刚石场效应晶体管，已取得了令人瞩目的成果，输出电流达到 1.3 A/mm，在 2 GHz 频率下输出功率密度为 4.2 W/mm，截止频率为 90 GHz，最大振荡频率为 164 GHz。
目前，用于半导体器件的独立金刚石衬底主要通过微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）的厚膜外延技术制备。其中，(100) 金刚石因其生长和工艺技术相对成熟，成为主流选择。(100) 金刚石沉积能实现高质量生长，缺陷密度低于 400 cm?2 ，X 射线衍射（XRD）摇摆曲线的半高宽（FWHM）可达 15 弧秒，通过异质外延可获得 92mm 的大尺寸（主要为接近圆形的晶圆，取决于衬底），通过拼接晶圆（大多为方形或矩形板）可得到 40×60 mm2的尺寸，并且生长厚度可达数毫米。不过，(110) 或 (111) 金刚石在半导体研究中展现出独特优势，它们能实现更大的 C-H 键密度，从而降低氢终止金刚石器件的薄层电阻，在极具挑战的 n 型原位磷掺杂中，掺杂效率也比 (100) 金刚石高几个数量级。然而，(110) 和 (111) 金刚石的厚膜生长研究较少，尤其是 (110) 金刚石，其沿 < 110 > 方向的厚膜外延尝试极为罕见，且 (110) 顶面在生长过程中总是收缩甚至消失。
为了解决 (110) 金刚石外延生长研究不足的问题，国内研究人员开展了关于 < 110 > 取向单晶金刚石膨胀生长的研究。他们通过优化甲烷浓度，并进行长达 100h 的生长实验，对 (110) 金刚石的生长模式和机制进行探究。研究发现，增加甲烷浓度会提高金刚石的生长速率，而添加氧气能改善生长晶体的质量。最终确定 4% 甲烷浓度和 0.5% 氧气浓度为最适宜的生长条件，并从最大厚度为 3.1mm 的外延晶体中切割出了面积比衬底大的 1mm 厚独立 (110) 金刚石板。这一研究成果为金刚石半导体材料和器件的制备提供了新的思路和方法，发表在《Applied Surface Science》上。
研究人员开展此项研究主要运用了以下关键技术方法：使用微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）系统进行 (110) 金刚石的生长实验；利用原子力显微镜（AFM）对衬底表面粗糙度进行测试；通过测量样品厚度变化获取不同甲烷浓度下金刚石的生长速率；借助光学发射光谱、拉曼光谱（Raman）和光致发光光谱（PL）对样品进行分析，以确定最佳生长条件和评估晶体质量 。
优化甲烷浓度
研究人员通过测量不同甲烷浓度下样品的厚度变化，来获取 <110> 方向单晶金刚石的生长速率。在 2% 甲烷浓度条件下生长的样品 S1，由于生长厚度小于材料厚度测试设备（Nikon Digimicro MFC - 101A）的误差，生长速率难以准确估算。随着甲烷浓度从 4% 逐渐增加，金刚石的生长速率呈现出增强的趋势。由此可知，甲烷浓度对 < 110 > 取向单晶金刚石的生长速率有着显著影响。
晶体生长过程及形貌变化
在 5h 的生长实验中，研究人员发现 <110> 外延生长的顶面呈现出 (100) 和 (111) 晶面生长占主导的情况，生长速率为 16.6μm/h。同时，在 (110) 和 (100) 衬底侧面，对应的外延晶体侧面分别生长为 (100) 和 (111) 表面，这导致了 (110) 顶面的收缩。然而，在 5mm×5mm 的衬底上进行 100h 的生长实验时，晶体顶面先扩展至 7.03mm×8.12mm，随后又收缩，最终晶体最大厚度达到 3.1mm，顶面呈现出火山口状，被沿 < 100 > 方向高度约 1mm 的大脊和多晶覆盖。这表明 < 110 > 取向单晶金刚石在不同生长时间下，晶体生长过程和形貌有着复杂的变化规律。
切割晶体的质量分析
研究人员从晶体最大扩展部分切割出 1mm 厚的 (110) 金刚石板，并对其进行了 X 射线摇摆曲线测试。结果显示，在 (110)、(100) 和 (111) 平面上，该金刚石板的 X 射线摇摆曲线宽度相比衬底大幅减小。这一结果说明切割得到的 (110) 金刚石板质量得到了显著提升。
综上所述，该研究通过优化甲烷浓度和长时间生长实验，深入探究了 <110> 取向单晶金刚石的生长模式和机制。确定了适宜的生长条件，成功获得了具有膨胀区域的 1mm 厚独立 (110) 金刚石板，且该金刚石板质量良好。这一研究成果填补了 (110) 金刚石外延生长研究的部分空白，为金刚石半导体材料和器件的进一步发展提供了重要的理论依据和实践指导，有助于推动相关领域的技术进步，在半导体产业发展中具有重要的意义。
