瑪麗蓮夢(mèng)露曾告訴我們，“鉆石是女人最好的朋友”。不過(guò)，鉆石（也就是首飾界對(duì)大顆粒金剛石的稱呼）其實(shí)是工業(yè)界的“材料之王”，光學(xué)器件、刀具磨具、甚至太空飛行器上都有鉆石的存在！至于在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)（包括你手機(jī)里的芯片）里，它是摩爾定律完蛋之后的未來(lái)希望。

今天我們就來(lái)給大家講講鉆石半導(dǎo)體。

生產(chǎn)彩色人工鉆石，就是為了造半導(dǎo)體

和以往的人工鉆石只能生產(chǎn)出很小的細(xì)顆粒，只能用在車刀、鉆頭或者砂紙上不同。最近各種珠寶展會(huì)上的人工鉆石展臺(tái)，一定會(huì)有各種五顏六色的鉆石出現(xiàn)。這是為什么呢？

比如下圖中各種真正的彩色鉆石非常顛覆大家對(duì)鉆石無(wú)色純凈的印象。

中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)豫西集團(tuán)中南鉆石有限公司生產(chǎn)的彩色鉆石（圖片來(lái)源：微博@兵工之聲）

那么，原因在哪呢？因?yàn)檫@些白色或者彩色的人工鉆石，都可以說(shuō)是人造鉆石生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)的副產(chǎn)品，拿出來(lái)廢物利用賣給首飾界回收一部分開發(fā)投入。當(dāng)然，如果需要的量大，想來(lái)他們也不介意接單專門定制生產(chǎn)特殊顏色的鉆石。那么為什么這些單位要生產(chǎn)出這么多花樣的廢料，而且看起來(lái)一個(gè)個(gè)顆粒都很大？

答案都在這張表格里。

一切都是為了鉆石半導(dǎo)體，吊打硅半導(dǎo)體的碳半導(dǎo)體材料。

硅和鉆石都是這樣的四面體晶體構(gòu)型（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）

同為IV主族的元素，碳元素也有做半導(dǎo)體的能力。和硅晶體原子結(jié)構(gòu)同為四面體排布的鉆石，在半導(dǎo)體方面的理論潛力……那是被人稱為“功率半導(dǎo)體的圣杯”的存在。超高的熱導(dǎo)率、更大的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，更高的遷移率，以及更小的原子尺寸，一切都昭示著鉆石半導(dǎo)體有著非常光明的前景。

怎么造出足夠大的鉆石？

有前景不代表沒有問(wèn)題。鉆石半導(dǎo)體面臨的基本問(wèn)題就是最基礎(chǔ)的材料科學(xué)問(wèn)題，這可是一點(diǎn)點(diǎn)情懷，象征都不講的硬碰硬的技術(shù)問(wèn)題。一切“天然”、“稀缺”、“美好”都要給“性能”讓路。

第一個(gè)攔路虎就是要能夠得到足夠大的純凈單晶塊體用于加工。讀者可以先摳出自己電腦或者手機(jī)里的CPU，看看芯片的大小，然后再去找出一個(gè)克拉級(jí)鉆戒，做一個(gè)尺寸的概念對(duì)比吧。所以，那些首飾級(jí)的克拉級(jí)小鉆石，做鉆石芯片可不夠。所以，鉆石半導(dǎo)體工業(yè)的基礎(chǔ)，要指望芝麻綠豆大的天然鉆那是絕無(wú)可能的，必須努力打通人工合成鉆石的科技樹。

細(xì)碎的天然鉆石，這已經(jīng)是篩選出的大顆粒了（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）

爆轟法：

因?yàn)樘烊淮嬖诘慕饎偸奶妓拿骟w網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是在地層深處高溫高壓的條件下形成的，那么一開始，工業(yè)界要合成人工金剛石就在努力模擬這種高溫高壓的狀態(tài)，一開始的辦法非常簡(jiǎn)單粗暴：BOOM！沒錯(cuò)，就是利用高能炸藥爆炸瞬間形成的高溫高壓態(tài)，引起石墨里的碳在催化劑作用下相變，得到金剛石。

在不斷的炸藥爆轟下，確實(shí)得到了很多人工金剛石。從用詞上大家都能看出來(lái)，尺寸太小，達(dá)不到寶石級(jí)，沒法叫鉆石。爆轟法生產(chǎn)的人工金剛石普遍顆粒細(xì)碎，沒有辦法被稱為寶石，只能用于鉆頭的鑲嵌甚至用于磨料。所以，爆轟法淡出了工業(yè)鉆石科技樹的主干。

國(guó)產(chǎn)鉸鏈?zhǔn)搅骓攭簷C(jī)（圖片來(lái)源：觀察者網(wǎng)）

高壓法：

另一種方法是機(jī)械頂壓機(jī)實(shí)現(xiàn)高壓，再通過(guò)電加熱形成高溫，通過(guò)高溫高壓環(huán)境的催化相變使碳元素轉(zhuǎn)變?yōu)殂@石，這也是目前生產(chǎn)人造鉆石的主流技術(shù)。而且，相比天然鉆石，壓力機(jī)法人工合成鉆石的尺寸從一開始就是相當(dāng)大的，約10年前進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)的人工鉆石的尺寸就是0.5克拉起步，大的可以到3克拉。壓力機(jī)頂壓出來(lái)的鉆石，已經(jīng)能夠很好的應(yīng)用于超硬刀具等的生產(chǎn)環(huán)節(jié)上了。早年國(guó)外某公司生產(chǎn)的人工鉆石的生產(chǎn)成本大約是天然鉆石的60%。在我國(guó)自主研發(fā)的六面頂壓機(jī)技術(shù)的加持下，國(guó)產(chǎn)人造鉆石的成本做到了世界最低，產(chǎn)量也達(dá)到了全世界的90%以上，可以說(shuō)首飾圈的“人造鉆石不好”的論調(diào)，幾乎可以肯定是沖著海量的價(jià)廉物美的國(guó)產(chǎn)人工鉆石來(lái)的。

高溫高壓下石墨轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸臋C(jī)理（圖片來(lái)源：觀察者網(wǎng)）

CVD（化學(xué)氣相沉積）生長(zhǎng)法：

爆轟法還有一個(gè)缺點(diǎn)，高能炸藥里面富含的氮元素?fù)诫s進(jìn)金剛石，使金剛石的色澤偏黃，使得在首飾市場(chǎng)里都不討喜。當(dāng)然鉆頭和精密加工刀具不在乎刃或尖端的金剛石到底是白的還是黃的，但是用于芯片的話，氮元素超標(biāo)也是不行的。同樣的，壓力機(jī)的生產(chǎn)也會(huì)在鉆石里帶進(jìn)比較多的氮，并且生產(chǎn)出來(lái)的尺寸不利于得到大尺寸盤片，所以這對(duì)于半導(dǎo)體加工也是不利的。

現(xiàn)在的鉆石半導(dǎo)體科技樹轉(zhuǎn)向CVD生長(zhǎng)法?；镜母拍罹褪窃谑褂脡毫C(jī)生產(chǎn)的鉆石基片上直接沉積碳原子，“長(zhǎng)出”一片鉆石來(lái)。CVD的原料氣是甲烷或者乙炔氣體，分解后碳原子沉積到基底上，得到金剛石材料非常純凈，可以得到完全透明，幾乎不含雜質(zhì)的純凈金剛石，這就能夠滿足半導(dǎo)體工業(yè)生產(chǎn)所需的高純凈鉆石材料了，至于首飾，那更不在話下。

中科院寧波材料所生產(chǎn)的人工鉆石（圖片來(lái)源：作者拍攝）

對(duì)半導(dǎo)體生產(chǎn)友好的另一件事是，CVD生產(chǎn)的金剛石是從薄膜到薄片到厚片再到塊體的?？梢愿鶕?jù)生產(chǎn)的需要進(jìn)行定制設(shè)計(jì)，那就擺脫了天然金剛石原石不規(guī)則顆粒的麻煩。至于生產(chǎn)出來(lái)的大小……目前，國(guó)際上不止一家實(shí)現(xiàn)了英寸級(jí)以上的金剛石圓片的生產(chǎn)。參照一下男士手表表盤和前面摳出來(lái)的CPU大小，1英寸圓片的大小已經(jīng)夠格用來(lái)切芯片了。

這時(shí)候，就算生產(chǎn)出來(lái)的鉆石薄片還不能直接用于半導(dǎo)體生產(chǎn)，其實(shí)也可以用于半導(dǎo)體工業(yè)了——做芯片襯底材料。還記得那張表上的熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)嗎？鉆石的熱導(dǎo)率比硅材料強(qiáng)十多倍，是已知最好的散熱材料，甚至遠(yuǎn)好于你舍不得多用的高級(jí)散熱硅脂里的銀。這樣好的導(dǎo)熱材料做芯片襯底，那簡(jiǎn)直是超頻玩家的巨大福音，不管是用含銀硅脂、熱管水冷、液氮還是冒險(xiǎn)上液態(tài)金屬，不都是想讓芯片內(nèi)部的熱盡快散出去嘛。芯片本身的散熱能力大大增強(qiáng)，特別是抗局部過(guò)熱能力的增強(qiáng)，可以大幅增加芯片的容許的功率上限，不管是用于計(jì)算的CPU/GPU，還是用于AESE的T/R模組，都無(wú)疑是非常好的消息。

居然不要造純凈的鉆石？

鉆石要用于半導(dǎo)體，還要面臨第二個(gè)問(wèn)題：摻雜。

如果硅要用于半導(dǎo)體，需要進(jìn)行摻雜，得到P型和N型材料。同是IV族元素的碳晶體怎么可能例外？鉆石半導(dǎo)體的P型摻雜和N型摻雜一樣是必須的。目前來(lái)說(shuō)，P型摻雜已經(jīng)有幾種相對(duì)成熟的工藝，實(shí)現(xiàn)在鉆石中注入或者摻入硼元素，得到P型半導(dǎo)體芯片材料。但是，目前的攔路虎是摻雜得到N型半導(dǎo)體材料，解決了N型摻雜的問(wèn)題，那就是鉆石半導(dǎo)體的科技樹打通的時(shí)刻了。

說(shuō)到摻雜，那自然少不了各種實(shí)驗(yàn)，從不同的理論上，研究人員嘗試的N型摻雜的方式主要有如下幾類：氮摻雜、磷摻雜、鋰或鈉摻雜、氧或硫摻雜及其他元素?fù)诫s（如鉀、鎂、鈹、砷等元素），當(dāng)然更少不了共摻雜。再加上如何摻雜的實(shí)現(xiàn)手段，比如CVD時(shí)加入，還是再注入，還是來(lái)自基底的擴(kuò)散？。這一串方案光看都會(huì)覺得暈，更別提可憐的實(shí)驗(yàn)狗了……

不過(guò)聰明的讀者肯定想到了，不同的生產(chǎn)、摻雜和處理過(guò)程肯定能影響到鉆石整體的色澤呈現(xiàn)，那么海量的失敗實(shí)驗(yàn)中，如果不執(zhí)著于得到N型半導(dǎo)體材料的話，自然可以優(yōu)選出一些呈色穩(wěn)定好看的方案用于生產(chǎn)珠寶級(jí)鉆石。這就是為什么奇奇怪怪的國(guó)內(nèi)人工鉆石公司手里有很多天然罕見的彩色鉆石的原因了，而且顆粒大，無(wú)瑕疵，凈度高，色彩均勻，最重要的是價(jià)格便宜。

結(jié)語(yǔ)

由于金剛石超寬的禁帶寬度（5.45eV），以及抗輻射損傷高靈敏度、低暗電流等優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)在已經(jīng)成為極端環(huán)境下(如核反應(yīng)堆、托克馬克、激光核聚變?cè)囼?yàn)，外層空間等)工作的粒子探測(cè)器或者輻射探測(cè)器的材料。
放飛一下自我，我們可以這么暢想未來(lái)：

甲：“看看我的大鉆戒！”，

乙微笑著拿起微單相機(jī)：“看見屏幕了么？鉆石的！”

擰下鏡頭：“全畫幅傳感器看到了么，鉆石的!”

然后舉起鏡頭：“看見鏡片了么？鉆石的!”

對(duì)，鉆石的折光率也是遠(yuǎn)高于光學(xué)玻璃的……

最后，給悶在家里沒法出去買買買的讀者們一句安慰吧：

史隆伯杰認(rèn)為鉆石缺乏人情味，一直避免用它來(lái)顯示財(cái)富：“你不妨在翻領(lǐng)上別張支票?！?/p>

剁手鉆石之前，多想想這句話吧。