晶品讯：金刚石，被称作自然界中最硬的物质。在经过打磨后，这种 " 普通 " 的碳晶体就化身为宝石级的钻石，身价随之倍增。

       而除了装饰外，很少有人知道金刚石其实也能用于半导体行业，在加工后变身为价格昂贵的 " 高端芯片 "。

       在材料类期刊 Small近期发布的一篇文章里，提到了大阪公立大学研究小组利用金刚石为衬底，制作出了氮化镓（GaN）晶体管。而该晶体管的散热能力，要比传统晶体管提高了 2 倍以上。

       这篇文章表示，这种由晶体管不仅可以用于 5G 通信基站、气象雷达、卫星通信等领域，还可以用于微波加热、等离子体处理等领域。

       但笔者在查阅相关信息后发现，早在二十年前，科学界就曾掀起研究金刚石半导体的热潮。

       包括刚刚过去的 2023 年，有不少企业和研究机构推出类似的技术，这其实就包括华为与哈尔滨工业大学共同合作的金刚石芯片专利。

       但时至今日，钻石芯片仍未掀起多大的水花。

       用钻石造芯片，究竟有何魅力？

       想制作电子元器件，就需要半导体材料。

       虽然可以用作半导体的材料种类繁多，但在历经数次材料革命后，真正做到成本与性能同时兼顾的，只有硅元素——在此基石上目前最常见的硅基半导体。

       不过随着工艺技术不断进步，硅材料的潜力基本已被挖掘到极致，想要继续推进半导体行业发展，就需要用特性更好的材料接续。

       近些年出镜率颇高的氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC），属于第三代半导体材料。再往后，氧化镓、氮化铝等第四代半导体材料，他们对比硅材料都有各自独特的优势。

图源 |   果壳硬科技

       除此以外，我们还能在看到石墨烯、碳纳米管等材料被用于生产晶体管。

       既然它们都属于碳的同素异形体，那么同样是碳元素单质同素异构体之一的金刚石，理应可以用作生产半导体。

       从物理化学特性来看，金刚石确实如此。

       该材料不仅硬度最高，而具有最高的热导率、透过光谱最宽、耐磨抗辐射抗腐蚀等优秀特性。

       金刚石强在哪里？

       先说金刚石的高热导率。

       在大阪公立大学的研究里，提到了 " 由金刚石为衬底制作的氮化镓晶体管，其散热能力提高两倍之多 "。

       目前而言，芯片制造面临的最大基本挑战之一便是温度控制。对于大部分硅制的芯片来说，一旦温度过高，那么芯片就会变得不可靠。

       而金刚石恰好是一种完美的 " 散热器 "。在热导率数值上，它比碳化硅大 4 倍，比硅大 13 倍，可以有效降低半导体器件运行时产生的热量。

图 |   热量情况对比

       在华为的金刚石专利里，提到了利用金刚石极高的发展潜力，为三维集成的硅基器件（硅基与金刚石衬底）提供散热通道

       除了出色的散热性能以外，金刚石拥有高达 5.5eV 的禁带宽度，更适合应用于高温、高辐射、高电压等极端环境。

       在 2023 年初，日本佐贺大学与日本精密零部件公司 Orbray 共同合作开发了一个金刚石制成的功率半导体。

       他们在蓝宝石衬底上生长金刚石晶片，制成 2 英寸的单晶圆，以此制成的功率半导体能以每平方厘米 875 兆瓦的功率运行，输出功率值为全球最高，且电力损耗可减少到硅基半导体的五万分之一。

图 |   Namiki 于 2022 年 4 月制作的 2 英寸晶圆

       除了日本公司以外，美国公司也在积极推动钻石芯片的产业化。目前比较出名的一家美国公司名叫Diamond Foundry，他们是全球 " 人造钻石 " 领域的明星企业。

       在 Diamond Foundry 官方计划里，他们开发出一套技术，可以将硅芯片与金刚石半导体衬底结合，以消除限制其性能的散热瓶颈。

       这项技术与上文提到的华为专利非常类似，不过 Diamond Foundry 的动作更加迅速，目前已经在云计算和 AI 计算等芯片上进行尝试，可以让数据中心芯片使用一半的空间即可实现相同的性能。

       让金刚石变成芯片，比想像地难得多

       随着近些年投入 " 人造钻石 " 的企业越来越多，人工培育钻石已经在电信、光学、医疗保健等领域中得以广泛应用。

       在这么多有利条件下，行业仍然没有拿得出手的芯片产品，那么问题到底出现在哪里？

       原因很多，但归根究底还是供给问题——纯度高的天然金刚石供不应求，而人造金刚石又会因为工艺问题，并不适合制造半导体。

       前面提到，金刚石芯片的长期的方向是作为 " 高端芯片 " 的突破口，而不是普通芯片的替代，这就要求晶圆更大。

       以目前人造金刚石企业的技术水平，显然是造不出大尺寸晶圆，更不要说达到商业化的要求。

       以 Diamond Foundry 为例，该公司目前生产的晶圆尺寸大约为 4 英寸长宽、小于 3 毫米厚度。日本企业的晶圆尺寸更小，只有大约 2 英寸。

       尺寸小是一方面，想要造出一颗能用的芯片，还得考虑如何提高金刚石的生长反应速度、有效切割这种坚硬的材料，并对晶圆的表面进行处理。

       直到最后一步，才是将金刚石晶圆与半导体芯片结合，这中间有太多的步骤等待突破了。

       因此，虽然我们能看到非常多的专利与研究，但金刚石芯片离半导体产业还有很长的道路要走，不仅仅需要降成本、扩大规模，尺寸和金刚石纯度都需要考虑到位。

       如果只是让金刚石企业独自来做这件事，那确实很有难度。