金剛石，被稱作自然界中最硬的物質。在經過打磨后，這種“普通”的碳晶體就化身為寶石級的鉆石，身價隨之倍增。

而除了裝飾外，很少有人知道金剛石其實也能用于半導體行業，在加工后變身為價格昂貴的“高端芯片”。

近日，西安交大王宏興研究團隊采用微波等離子體化學氣相沉積（MPCVD）技術，成功實現2英寸異質外延單晶金剛石自支撐襯底的批量化，達到世界領先水平。


1、用鉆石造芯片，究竟有何魅力？

想制作電子元器件，就需要半導體材料。

雖然可以用作半導體的材料種類繁多，但在歷經數次材料革命后，真正做到成本與性能同時兼顧的，只有硅元素——在此基石上目前最常見的硅基半導體。

不過隨著工藝技術不斷進步，硅材料的潛力基本已被挖掘到極致，想要繼續推進半導體行業發展，就需要用特性更好的材料接續。

近些年出鏡率頗高的氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC），屬于第三代半導體材料。再往后，氧化鎵、氮化鋁等第四代半導體材料，他們對比硅材料都有各自獨特的優勢。

除此以外，我們還能在看到石墨烯、碳納米管等材料被用于生產晶體管。

既然它們都屬于碳的同素異形體，那么同樣是碳元素單質同素異構體之一的金剛石，理應可以用作生產半導體。

從物理化學特性來看，金剛石確實如此。

該材料不僅硬度最高，而具有最高的熱導率、透過光譜最寬、耐磨抗輻射抗腐蝕等優秀特性。


2、大尺寸襯底是金剛石半導體商業化難點之一

金剛石作為超寬禁帶半導體材料的一員（禁帶寬度5.5eV），具有一系列優異的物理和化學性質，如高載流子遷移率、高熱導率、高擊穿電場、高載流子飽和速率和低介電常數等，這使其在高新科技尖端領域中，特別是電子技術中得到廣泛關注，被公認為是最具前景的新型半導體材料，被業界譽為“終極半導體材料”。

金剛石半導體雖然有優點諸多，但由于其極高的硬度，在制造時難度非常大。金剛石半導體廣泛商用目前存在幾大難題，其中之一便是“缺乏大尺寸金剛石襯底，阻礙了大尺寸金剛石的生長”。通過將小尺寸襯底拼接，雖然可以制備出大尺寸單晶，但在拼接處存在缺陷，影響金剛石膜的質量。擴大CVD金剛石襯底的晶體尺寸以及實現單晶金剛石的高速生長是制備高質量大尺寸半導體金剛石材料的前提條件。

從2008年開始，歐盟投入資金推動化學氣相沉積方法（CVD）在氮化鎵（GaN）器件背面生長金剛石。隨后美國國防部高級研究計劃局、海軍研究辦公室等投入大量資金，但由于價格高昂，使得金剛石襯底的氮化鎵器件的應用被限制在國防和航天等領域。

金剛石電子器件的發展受限于大尺寸、高質量的單晶襯底，硅、藍寶石等襯底的商業化，為異質外延單晶金剛石提供了前提條件。

西安交大王宏興團隊經過長期科研攻關，獨立自主開發了系列具有自主知識產權的單晶金剛石微波等離子體化學氣相沉積設備，掌握了有關技術，并已全面完成了原理性創新、實驗室試驗研究和中試實驗，可批量化提供1~2英寸的大面積高質量單晶金剛石襯底。


3、讓金剛石變成芯片，比想像地難得多

隨著近些年投入“人造鉆石”的企業越來越多，人工培育鉆石已經在電信、光學、醫療保健等領域中得以廣泛應用。

在這么多有利條件下，行業仍然沒有拿得出手的芯片產品，那么問題到底出現在哪里？

原因很多，但歸根究底還是供給問題——純度高的天然金剛石供不應求，而人造金剛石又會因為工藝問題，并不適合制造半導體。

前面提到，金剛石芯片的長期的方向是作為“高端芯片”的突破口，而不是普通芯片的替代，這就要求晶圓更大。

以目前人造金剛石企業的技術水平，顯然是造不出大尺寸晶圓，更不要說達到商業化的要求。

以Diamond Foundry為例，該公司目前生產的晶圓尺寸大約為4英寸長寬、小于3毫米厚度。日本企業的晶圓尺寸更小，只有大約2英寸。

尺寸小是一方面，想要造出一顆能用的芯片，還得考慮如何提高金剛石的生長反應速度、有效切割這種堅硬的材料，并對晶圓的表面進行處理。

直到最后一步，才是將金剛石晶圓與半導體芯片結合，這中間有太多的步驟等待突破了。

因此，雖然我們能看到非常多的專利與研究，但金剛石芯片離半導體產業還有很長的道路要走，不僅僅需要降成本、擴大規模，尺寸和金剛石純度都需要考慮到位。

如果只是讓金剛石企業獨自來做這件事，那確實很有難度。