合成鉆石有望成終極半導(dǎo)體材料
合成鉆石有望成終極半導(dǎo)體材料
來源：參考消息網(wǎng)
參考消息網(wǎng)4月24日報(bào)道 據(jù)日本《每日新聞》4月22日報(bào)道，鉆石可以在工廠生產(chǎn)了。作為一種已經(jīng)成熟的產(chǎn)業(yè)，近年來人工鉆石的市場規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，但價(jià)格開始大幅下跌。日本的風(fēng)投企業(yè)開始將目光轉(zhuǎn)向鉆石具有的某種終極性能，不是作為珠寶，而是用于產(chǎn)品研發(fā)。
在作為寶石流通的鉆石中，“人工鉆石”的占比不斷上升。除了能夠以低成本獲取高克重寶石之外，由于無需挖掘礦山，還避免了開采天然鉆石引發(fā)的濫砍森林、強(qiáng)迫勞動(dòng)等負(fù)面問題，以聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的角度衡量同樣值得關(guān)注。
在人工鉆石中，用于珠寶制作的又被稱為“培育鉆石”(LGD)，指的是這些鉆石是在實(shí)驗(yàn)室中培養(yǎng)的。大阪府豐中市的鉆石材料制造商EDP的負(fù)責(zé)人藤森直治介紹：“據(jù)說美國市場上LGD的占比已經(jīng)超過50%。”
EDP創(chuàng)立于2009年，其核心技術(shù)來自產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所，優(yōu)勢在于能夠生產(chǎn)大型“單晶”鉆石，這些鉆石本身就是單獨(dú)的晶體，其中的碳原子以規(guī)則的方式排列，而不是由許多晶粒組成的“多晶”鉆石。
人工鉆石的制造方式主要有兩種。一種是在類似于形成天然鉆石的地下深處的高溫高壓條件下使原料碳結(jié)晶；另一種是在高溫低壓條件下從氣體中制造鉆石，又稱為“低壓化學(xué)氣相沉積法”。目前第二種已經(jīng)成為主流工藝，EDP也大量引進(jìn)了此類設(shè)備。
其工作原理類似于微波爐，在將氣壓降低至0至1個(gè)大氣壓后添加甲烷和氫氣。當(dāng)輸出強(qiáng)微波時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生等離子體，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，碳原子就像薄膜一樣沉積在板狀鉆石的母晶上并開始生長。
但鉆石是最堅(jiān)硬的物質(zhì)，切割母晶和在其上生長出板狀鉆石十分困難。當(dāng)時(shí)仍供職于產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所的藤森和其領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)提出了一種注入離子的方法。
當(dāng)碳離子轟擊母晶體時(shí)，距離頂部約1/1000毫米內(nèi)的晶體會(huì)被破壞。從那時(shí)起，已經(jīng)長出的部分可以輕松剝離，成為可以用作新母晶的“種子晶體”。
如果讓這片種晶進(jìn)一步生長，它就會(huì)變成一顆有厚度的晶體，如果切割成圓形，就會(huì)變成幾克拉的寶石。藤森社長表示：“天然鉆石中氮的含量約為0至2%，但人工培育的鉆石不含雜質(zhì)，而且可以形成大晶體，并進(jìn)行著色。我們可以創(chuàng)造出與傳統(tǒng)思路都不同的具有全新設(shè)計(jì)感的寶石。”事實(shí)上，EDP已經(jīng)培育出十字形和淚滴形鉆石。他們甚至考慮過制造指環(huán)形狀的鉆石。
另一方面，人工鉆石制造商雨后春筍般涌現(xiàn)，尤其是在印度，一克拉人造鉆石的價(jià)格已從2016年的5000美元左右暴跌至2020年的1000美元。印度制造商也從EDP進(jìn)口種子晶體，但據(jù)說也有制造商開始自主生產(chǎn)。
因此，EDP目前正在加大力度開發(fā)利用鉆石特性的半導(dǎo)體材料。鉆石中原子密集排列，這不僅使其質(zhì)地堅(jiān)硬，而且具備了極佳的熱導(dǎo)性能。例如，散熱對于計(jì)算機(jī)來說是一個(gè)問題，但鉆石通過空氣冷卻，不易升溫。它可承受高電壓，在作為功率半導(dǎo)體材料方面被寄予厚望，而功率半導(dǎo)體在電動(dòng)汽車和其他設(shè)備中的需求量很大。
然而到目前為止這些特性還沒有得到很好的利用。這是因?yàn)闆]有圓形、板狀的“晶圓”作為半導(dǎo)體基板。所以在今年，EDP創(chuàng)造了一種形狀為板狀、面積為3厘米見方的單晶。據(jù)稱這是迄今為止世界上最大的單晶。這些方形基板將被切割成圓形，制成直徑為一英寸(約合2.54厘米)的晶圓，并計(jì)劃在未來生產(chǎn)更大尺寸。
將其技術(shù)轉(zhuǎn)讓給EDP的產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所也看到了鉆石晶片的潛力。2019年，他們創(chuàng)造了一顆體積約1立方厘米的單晶鉆石，沒有任何裂紋。通過在甲烷和氫氣之外使用氧氣和氮?dú)猓麄兂晒υ黾恿司w的厚度。這是為了制造更大的單晶并實(shí)現(xiàn)更大的晶圓而進(jìn)行的嘗試。
產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所鉆石晶圓研究組組長山田英明充滿熱情地表示：“鉆石又被稱為終極半導(dǎo)體材料，但距離實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)還有很長的路要走。半導(dǎo)體制造商告訴我們，他們需要4英寸的晶圓，我們愿意朝著這個(gè)目標(biāo)努力。”（編譯/劉林）
