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(lái)源：參考消息網(wǎng)
參考消息網(wǎng)4月24日?qǐng)?bào)道 據(jù)日本《每日新聞》4月22日?qǐng)?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(lái)人工鉆石的市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，但價(jià)格開(kāi)始大幅下跌。日本的風(fēng)投企業(yè)開(kāi)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(wú)需挖掘礦山，還避免了開(kāi)采天然鉆石引發(fā)的濫砍森林、強(qiáng)迫勞動(dòng)等負(fù)面問(wèn)題，以聯(lián)合國(guó)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(chēng)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(shuō)美國(guó)市場(chǎng)上LGD的占比已經(jīng)超過(guò)50%。”
EDP創(chuàng)立于2009年，其核心技術(shù)來(lái)自產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所，優(yōu)勢(shì)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(lèi)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(chēng)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(lèi)設(shè)備。
其工作原理類(lèi)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(kāi)始生長(zhǎng)。
但鉆石是最堅(jiān)硬的物質(zhì)，切割母晶和在其上生長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)，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(zhǎng)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(guò)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(shuō)也有制造商開(kāi)始自主生產(chǎn)。
因此，EDP目前正在加大力度開(kāi)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(duì)于計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)是一個(gè)問(wèn)題，但鉆石通過(guò)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(chē)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(méi)有得到很好的利用。這是因?yàn)闆](méi)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(jiàn)方的單晶。據(jù)稱(chēng)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(lái)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(méi)有任何裂紋。通過(guò)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(zhǎng)山田英明充滿(mǎn)熱情地表示：“鉆石又被稱(chēng)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(zhǎng)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?cè)敢獬@個(gè)目標(biāo)努力。”（編譯/劉林）
