来自韩国基础科学研究所的材料科学团队近日在《自然》杂志刊文，宣布成功在标准大气压和 1025 °C 下实现钻石合成。该制备方法有望为金刚石薄膜的生产开创一条成本更低的道路。

金刚石不仅是一种宝石，也是一种优秀的半导体材料，拥有超宽禁带间隙，相较现已商用的硅等材料更适合高温、高辐射、高电压环境。

目前，金刚石钻石最常见的路线是高温高压方法，该方法相对便宜，不过需要近 60000 倍大气压的压强和 1600°C 的高温；另一种途径是化学气相沉积，但需要昂贵的制造设备。

该研究团队负责人的罗德尼・鲁夫（Rodney Ruoff）表示，几年前其注意到合成金刚石不一定需要极端条件：

有日本研究人员于 2017 年报告，将液态金属镓暴露在甲烷气体中可生成金刚石的同素异形体石墨，这启发了鲁夫对含镓液金从含碳气体中“脱碳”进而生成金刚石路线的研究。

一次巧合中，鲁夫所领导的团队发现，当反应环境引入硅单质后，出现了微小的金刚石晶体。

根据这一现象，实验团队改进了反应装置，将含有液态镓、铁、镍和硅的混合物暴露在甲烷氢气混合气氛中，并加热到 1,025 °C，成功在不使用高压和晶种的条件下生成了金刚石。

目前鲁夫团队已成功制备由数千个金刚石晶体组成的微型金刚石薄膜。这些晶体直径不超过 100 纳米，和病毒大小相当。

如果未来这一常压合成技术能成功推广至更大规模，那将开辟一条更经济、更简便的金刚石薄膜制备道路，有望为量子计算机和功率半导体发展提供强大助力。


华为的“钻石”专利

华为与哈尔滨工业大学联合申请的一项专利，这项专利涉及一种基于硅和金刚石的三维集成芯片的混合键合方法。

具体来看，就是通过Cu/SiO2混合键合技术将硅基与金刚石衬底材料进行三维集成。华为希望通过两者的结合，充分利用硅基半导体和金刚石的不同优势。

硅基半导体的优势不用多说，有成熟的工艺及产线、生产效率高并且成本较低。金刚石则是已知天然物质中热导率最高的材料，室温下金刚石的热导率高达2000Wm‑1K‑1，同时金刚石是宽禁带半导体，具备击穿场强高、载流子迁移率高、抗辐照等优点，在热沉、大功率、高频器件、光学窗口、量子信息等领域具有极大应用潜力。

在专利书中提及，本次结合利用的就是金刚石极高的发展潜力，想要为三维集成的硅基器件提供散热通道以提高器件的可靠性。

受到华为专利的影响，当天国内A股培育钻石概念板块猛涨。实际上，引发半导体业内“疯狂”的“钻石”芯片在国际上并非只有华为一家。近年来，“钻石”芯片的研发消息频频传来。


抓住“钻石芯片”

国际上最新的消息，是一家由麻省理工、斯坦福大学、普林斯顿大学的工程师创立的企业在金刚石晶片方面的进展。

这家企业的名字叫做Diamond Foundry，企业主要的研究方向也是金刚石方向。从官网上来看，这家企业希望使用单晶金刚石晶圆解决，限制人工智能、云计算芯片、电动汽车电力电子器件和无线通信芯片的热挑战。

2023年10月份Diamond Foundry培育出了世界上第一个单晶金刚石晶片，具体的数据上，这个金刚石晶片直径100毫米、重量100克拉。

Diamond Foundry在接受采访时表示，已经可以在反应炉中培育出4英寸长宽、小于3毫米厚度的钻石晶圆，而这些晶圆可以和硅芯片一同使用，快速传导并释放芯片所产生的热量。

怎么一同使用呢？Diamond Foundry 开发了一套技术，为每个芯片植入钻石。以原子的方式直接连接金刚石，将半导体芯片粘合到金刚石晶圆基板上，以消除限制其性能的散热瓶颈。

按照其首席执行官Martin Roscheisen的说法，这可以使得芯片的运行速度至少是额定速度的两倍，并且Diamond Foundry工程师在英伟达最强大的芯片之一上使用这种方法，在实验条件下甚至能够将其额定的速度增加到三倍。

同时，Diamond Foundry公司的官方计划中还表示，希望能够在2023年后，引入单金刚石晶片，并在每个芯片后面放置一颗金刚石；在2033年前后，将金刚石引入半导体。

美国不止这一家企业在推动“钻石”芯片的产业化。美国的AKHAN、阿贡国家实验室，日本的NTT、NIMS等，都投身于此。其中，AKHAN公司专门从事实验室制造合成电子级金刚石材料，在2021年时，他们宣布能够制造300mm互补金属氧化物半导体 (CMOS) 金刚石晶圆。

稍早一些消息的还来自日本，依据已经宣布的研究成果来看，日本对于金刚石芯片的产业化探索更加全面。

从2022年开始，日本生成了可用于量子计算项目纯度的金刚石晶圆；2023年年初，日本校企合作，研发了一个金刚石制成的功率半导体；同年8月，日本千叶大学科研团队提出关于“毫不费力地切割”金刚石的方法。从种种动向来看，日本对于金刚石芯片的研究也是比较重视的。


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。

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。

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。

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。

国产企业打破垄断

打破金刚石功能材料被国外垄断的难题，在国内率先布局第四代半导体材料装备和生长工艺研发……今年2月投产的湖北瑞华科技有限公司，通过切割、雕琢等方式，将“生长”后的金刚石制作成钻石、散热片等产品，进入半导体等不同领域的市场，成为半导体基体材料中的“新贵”。

“你看，金刚石正在进行MPCVD（气相沉积）的神奇过程。它就如同蒸馒头般，逐渐增大，我们再运用先进的激光切割技术，赋予它不同的应用方向。”在瑞华科技的切割车间里，数台自动化切割机并排作业，忙碌而有序，车间主任甘俊伟详细介绍，经过“膨胀”的金刚石，在切割机的精细操作下，衬底与生长层被巧妙地分离。生长层既可以被雕琢成熠熠生辉的钻石，也可以被切成薄片，用作高效的散热片，分离出来的衬底可以再次用于MPCVD的生长，循环利用。

瑞华科技成立于2022年11月，是一家聚焦高端功能金刚石材料生产的高科技企业，主要开展MPCVD设备迭代更新以及MPCVD设备的金刚石圆片等新材料关键技术与产业化研究，力求在大尺寸、高质量金刚石生长装备及金刚石生长技术上取得重大突破，解决我国在这一领域的技术难题。

今年2月，一期项目进入试生产阶段，首批50台机器主要生产散热片、钻石等产品。

“钻石就是我们在市面上看到的裸钻，散热片主要运用于集成电路里面，在汽车等行业中发挥着不可或缺的作用。”据甘俊伟介绍，所有的电器元件在运行中都会都会产生热量，随着电路集成度的不断提升，散热需求也日益增长，“与传统散热材料相比，金刚石散热能力更强，是铜的5倍。”

据甘俊伟介绍，尽管我国是人造金刚石生产大国，但产品主要集中在磨料磨具领域，高端应用尚显不足。为打破金刚石功能材料被国外垄断的难题，推进我国高端金刚石的深度产业化应用。数年前，公司率先在国内布局第四代半导体材料装备和生长工艺研发。2022年，在荆州经开区设立瑞华科技。

先进的研发实力是企业的发展底气。

瑞华科技办公室主任毛莉介绍，公司研发中心位于武汉，具备院士、“千人计划”专家高端人才技术支持，是国内唯一成功研制分子束外延（MBE）和国内首台金属有机化学气相沉积（MOCVD）两种半导体材料生长装备与相关工艺的技术团队。

“天然金刚石材料成本较高，我们正致力于加大研发力度，优化生产工艺，用MPCVD法生产出来的金刚石替代天然金刚石。”毛莉介绍，公司正积极与一些研究所、知名新能源汽车品牌合作，加快金刚石散热片新材料的应用进程。