把钻石做成芯片？第四代半导体：金刚石晶圆

200年前，生于乾隆年间的英国贵族、知名化学家戴维爵士，在度假期间，于助手法拉第的协助下，用皇家透镜汇聚阳光，在充满氧气的玻璃球内成功连续点燃4颗钻石，验证其燃烧产物和纯碳一致，并发表了相关论文。

左：戴维爵士；右：法拉第

200年后，人们对钻石的研究并未停止，这种曾被视为永恒的宝石，如今又有了新用途 —— 用于制造芯片。

钻石，即金刚石，是碳的同素异形体，与石墨组成元素相同，只是碳原子排列方式不同。在室温下，二者都较为稳定，且石墨态更稳定。

理论上钻石在常温下能自行转变为石墨，不过这一相变过程极其缓慢，一枚3.5克的钻石完成转变大约需要10亿年。

但高温、射线、催化剂或离子轰击等能加速这一过程。戴维爵士的实验证明钻石怕火烧，而在无氧气的高温高压环境下，石墨能变成钻石，也可在高温炉中利用碳氢气体合成钻石。

通常芯片制造多用硅材料，因其量大价低。那为何要用钻石造芯片？这源于钻石独特的材料特点。钻石硬度极高，是自然界最硬的物质，在工业领域广泛应用。

在芯片制造流程里，将硅棒切成硅片的线切法会使用附着金刚石粉末的工具，给硅片打磨抛光的磨料中也大量添加金刚石颗粒，普通硅基芯片生产就已消耗大量钻石。

千叶大学科研团队切割方式

但硬度高只是钻石特性之一，其超强的导热性才是作为芯片材料的诱人之处。

生活中不同材料导热性各异，水的导热性差，热导率小且比热容高，烧开水耗时久；金属导热性较好，铁锅加热几秒就热，但铁在金属中热导率仅80，排名靠后。

铝热导率为240，是铁的3倍；金热导率320，接近铁的4倍；导热最快的金属银，热导率高达400。出于造价成本考虑，多数散热器用铜或铝制作，顶级散热器才会使用银片。

然而除金属外，还有导热性能更优的材料，如碳化硅，热导率高达500，用其制成的功率晶体管散热效果远好于硅基 IGBT。

而自然界中散热最快的物质是钻石，热导率轻松达到2000，是银的5倍，硅的十数倍。芯片制成难以继续缩小的一个重要原因是，晶体管越来越密集时，芯片散热成为难题，若能将硅基晶体管换成钻石晶体管，就能解决芯片发热问题。

但用钻石造芯片面临诸多问题。

一、原料获取。

首先是原料获取问题，天然钻石开采地主要有俄罗斯、博兹瓦纳和加拿大等，全球每年约3100吨的钻石产量中，天然钻石仅23吨，占比不到1%，其余99.3%是人工合成钻石。

在这每年3000多吨人造钻石中，90%产自中国，河南一家企业就能年产1400吨。多数厂商采用物理的高温高压法合成钻石，将高纯度石墨放入六面顶压机，加入金属触媒施压，使其转化为金刚石颗粒。

此方法产量大、成本低，但晶体微观缺陷较多，适合作为工业原料和平价珠宝，用于芯片和晶体管制造则需要更高质量的钻石，此时就得采用化学的气相沉积法（简称 CVD）。

CVD 如同科学的开炉炼丹，在高温炉中通入甲烷等碳基气体，让金刚石在衬底表面缓慢沉积生长，两毫米的样品需生长七七四十九天，生长速度极慢，每小时仅1到2微米，成本较高，但能长出纯度更高、缺陷更低的金刚石晶体。

二、加工。

有了钻石后，如何将其制成芯片？简单做法是让钻石成为芯片基板，发挥散热优势，比如将钻石薄片和硅基芯片通过键合工艺贴在一起，使芯片运行产生的热量通过钻石传导到顶部散热片。

更理想的是像碳化硅一样把钻石制成晶体管，因金刚石禁带宽度比碳化硅更宽，诱导率更高，理论上是更理想的功率晶体管，被视为第四代半导体的热门人选。

但无论是将钻石用于芯片还是制作芯片，存在三大难点。

一是钻石晶元生长技术不成熟，生长慢且尺寸小。

硅片能直接生长12寸晶圆，碳化硅能量产8寸晶圆，而用于制造晶体管的单晶钻石晶圆最多1寸，要更大尺寸只能多块拼接，成本高昂；若只是制造钻石散热片，可在大的硅基纤体上做抑制沉积，长出多晶体钻石后剥离打磨抛光。

二是钻石硬度太高，机械加工难度极大。

打磨抛光的磨料就是金刚石颗粒，用金刚石磨钻石，成本高、速度慢、效果差，且钻石基板表面若不够光滑，就无法与芯片紧密结合发挥导热优势。

前两个难点在技术上可解决，只是成本高，目前业内只有财力雄厚的厂商在考虑使用钻石散热片，对其他芯片厂而言，普及钻石尚需时日。

第三个难点则不是花钱就能解决的，这也是钻石晶体管面临的主要问题。

制造晶体管需要在特定区域注入一定深度的杂质离子，激活半导体开关导通的电特性，但金刚石宏观硬度高、微观键能大，传统芯片工艺中的高温离子注入法不适用于钻石，杂质离子难以注入和激活，注入能量过大还可能激发相变，使钻石变回石墨。

所以现在的金刚石器件无法像硅基或碳化硅那样任意造型离子掺杂，多数只能做气相掺杂的平面型异质结，或单纯作为衬底材料，利用外延层完成晶体管制作。

半导体公司对钻石的期待目前主要是先将其作为散热基板应用于芯片。对于真正的钻石晶体管乃至钻石CMOS电路，高校学术界和企业实验室的科研人员仍在不断探索。

钻石真正的价值不在于象征王权富贵或作为珠宝吊坠，而在于成为推动科技变革的工业助力。