金刚石不仅可以作为一种宝石,而且还作为一种具有特殊的物理、化学和光学性质的材料,在不同领域均有应用价值。因为其拥有的高强度、高硬度、热膨胀系数小、高导热性、化学稳定性、优越的透光性和半导体的性质,在世界范围内引起了广泛的研究兴趣。随着人工合成技术的发展,单晶金刚石(SCD)的制备成为可能,因此金刚石的应用变得更加广泛。除去传统的珠宝装饰、精密切削、磨具磨料等应用领域,金刚石材料在微电子机械系统、声学器件、半导体器件、生物医疗、量子通讯等领域的应用日益受到学术界和产业界的关注。特别是在半导体器件领域,基于其优异的半导体性质,如超宽的带隙、高的热导率、高的击穿电压和载流子迁移率以及强的抗辐射能力等,金刚石材料被称作“终极半导体”,在高压、高功率、高频电子器件等领域有着广泛应用前景,是目前研究的热点课题。然而,相比于其他成熟的材料,金刚石材料特别是SCD材料制备仍存在诸多的问题。随着金刚石在半导体器件等领域的应用,首要解决的就是大尺寸高速率高质量的SCD制备问题。在众多的制备方法中微波等离子化学气相沉积方法(MPCVD)是现阶段最为成熟,也是目前获得高质量大面积SCD材料的唯一方法。本文采用MPCVD方法,选取低表面粗糙度高温高压(HTHP)金刚石作为同质外延金刚石的衬底材料,通过调整优化包括衬底晶向偏离角、生长温度、腔室压力、气体种类及浓度等生长条件获得高质量高速率的SCD薄膜。高质量的HTHP金刚石表面是同质外延的首要条件。观察了激光切割后金刚石的表面形貌、抛光过程中的状态的转化情况,以及抛光后金刚石的表面损伤及结晶质量。经过机械抛光和化学机械抛光两步抛光过程,激光切割带来的金刚石表面碳化层和损伤层被有效去除,表面粗糙度达到0.764nm。论文中利用自制的不同晶向偏离角的衬底研究了晶向偏离角对生长的影响,发现使用具有晶向偏离角的衬底能有效抑制外延过程中金刚石表面金字塔成核现象的发生,提高外延金刚石质量。温度对外延金刚石的影响主要体现在生长速率方面和对氮的掺杂效率方面,提高腔室压力可以有效提高生长速率和外延金刚石质量。氧气的加入改善了外延金刚石的质量,但同时降低了金刚石的沉积速率。随着氧气浓度的增加,生长速率线性减小。利用高分辨X射线衍射,研究了 SCD中的晶格平面弯曲行为。实验中发现HTHP衬底(100)晶格平面弯曲具有各向异性,即晶格平面在生长过程中产生的晶格平面弯曲并非严格的球面弯曲。MPCVD制备的SCD的晶格平面弯曲主要取决于衬底本身。随着衬底的晶格平面弯曲的增加,SCD的晶格平面弯曲变得更加严重,并且这种类型的晶格平面弯曲无法恢复。MPCVD生长实验表明,衬底的生长参数,如温度、生长时间和压力会影响SCD的晶格平面弯曲。为探索晶格平面弯曲的机理,我们研究了衬底表面温度分布与SCD晶格平面弯曲的关系,并提出了晶格平面弯曲模型及晶格平面弯曲形成机理:衬底表面温度分布不均匀是CVD金刚石晶格面弯曲的主要原因。