金剛石，被稱作自然界中最硬的物質(zhì)。在經(jīng)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(yè)，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(xiàn)2英寸異質(zhì)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(jīng)數(shù)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(xù)推進半導體行業(yè)發(fā)展，就需要用特性更好的材料接續(xù)。

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(yōu)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(chǎn)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(zhì)同素異構(gòu)體之一的金剛石，理應可以用作生產(chǎn)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(yōu)秀特性。


2、大尺寸襯底是金剛石半導體商業(yè)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(yōu)異的物理和化學性質(zhì)，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(shù)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(yè)界譽為“終極半導體材料”。

金剛石半導體雖然有優(yōu)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(zhì)量。擴大CVD金剛石襯底的晶體尺寸以及實現(xiàn)單晶金剛石的高速生長是制備高質(zhì)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(fā)展受限于大尺寸、高質(zhì)量的單晶襯底，硅、藍寶石等襯底的商業(yè)化，為異質(zhì)外延單晶金剛石提供了前提條件。

西安交大王宏興團隊經(jīng)過長期科研攻關，獨立自主開發(fā)了系列具有自主知識產(chǎn)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(chuàng)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(zhì)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(yè)越來越多，人工培育鉆石已經(jīng)在電信、光學、醫(yī)療保健等領域中得以廣泛應用。

在這么多有利條件下，行業(yè)仍然沒有拿得出手的芯片產(chǎn)品，那么問題到底出現(xiàn)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(yè)的技術水平，顯然是造不出大尺寸晶圓，更不要說達到商業(yè)化的要求。

以Diamond Foundry為例，該公司目前生產(chǎn)的晶圓尺寸大約為4英寸長寬、小于3毫米厚度。日本企業(yè)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(jié)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(chǎn)業(yè)還有很長的道路要走，不僅僅需要降成本、擴大規(guī)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(yè)獨自來做這件事，那確實很有難度。