合成钻石有望成终极半导体材料

来源：参考消息网

       参考消息网4月24日报道 据日本《每日新闻》4月22日报道，钻石可以在工厂生产了。作为一种已经成熟的产业，近年来人工钻石的市场规模持续扩大，但价格开始大幅下跌。日本的风投企业开始将目光转向钻石具有的某种终极性能，不是作为珠宝，而是用于产品研发。

　　在作为宝石流通的钻石中，“人工钻石”的占比不断上升。除了能够以低成本获取高克重宝石之外，由于无需挖掘矿山，还避免了开采天然钻石引发的滥砍森林、强迫劳动等负面问题，以联合国可持续发展目标的角度衡量同样值得关注。

　　在人工钻石中，用于珠宝制作的又被称为“培育钻石”(LGD)，指的是这些钻石是在实验室中培养的。大阪府丰中市的钻石材料制造商EDP的负责人藤森直治介绍：“据说美国市场上LGD的占比已经超过50%。”

　　EDP创立于2009年，其核心技术来自产业技术综合研究所，优势在于能够生产大型“单晶”钻石，这些钻石本身就是单独的晶体，其中的碳原子以规则的方式排列，而不是由许多晶粒组成的“多晶”钻石。

　　人工钻石的制造方式主要有两种。一种是在类似于形成天然钻石的地下深处的高温高压条件下使原料碳结晶；另一种是在高温低压条件下从气体中制造钻石，又称为“低压化学气相沉积法”。目前第二种已经成为主流工艺，EDP也大量引进了此类设备。

　　其工作原理类似于微波炉，在将气压降低至0至1个大气压后添加甲烷和氢气。当输出强微波时，就会产生等离子体，发生化学反应，碳原子就像薄膜一样沉积在板状钻石的母晶上并开始生长。

　　但钻石是最坚硬的物质，切割母晶和在其上生长出板状钻石十分困难。当时仍供职于产业技术综合研究所的藤森和其领导的团队提出了一种注入离子的方法。

　　当碳离子轰击母晶体时，距离顶部约1/1000毫米内的晶体会被破坏。从那时起，已经长出的部分可以轻松剥离，成为可以用作新母晶的“种子晶体”。

　　如果让这片种晶进一步生长，它就会变成一颗有厚度的晶体，如果切割成圆形，就会变成几克拉的宝石。藤森社长表示：“天然钻石中氮的含量约为0至2%，但人工培育的钻石不含杂质，而且可以形成大晶体，并进行着色。我们可以创造出与传统思路都不同的具有全新设计感的宝石。”事实上，EDP已经培育出十字形和泪滴形钻石。他们甚至考虑过制造指环形状的钻石。

　　另一方面，人工钻石制造商雨后春笋般涌现，尤其是在印度，一克拉人造钻石的价格已从2016年的5000美元左右暴跌至2020年的1000美元。印度制造商也从EDP进口种子晶体，但据说也有制造商开始自主生产。

　　因此，EDP目前正在加大力度开发利用钻石特性的半导体材料。钻石中原子密集排列，这不仅使其质地坚硬，而且具备了极佳的热导性能。例如，散热对于计算机来说是一个问题，但钻石通过空气冷却，不易升温。它可承受高电压，在作为功率半导体材料方面被寄予厚望，而功率半导体在电动汽车和其他设备中的需求量很大。

　　然而到目前为止这些特性还没有得到很好的利用。这是因为没有圆形、板状的“晶圆”作为半导体基板。所以在今年，EDP创造了一种形状为板状、面积为3厘米见方的单晶。据称这是迄今为止世界上最大的单晶。这些方形基板将被切割成圆形，制成直径为一英寸(约合2.54厘米)的晶圆，并计划在未来生产更大尺寸。

　　将其技术转让给EDP的产业技术综合研究所也看到了钻石晶片的潜力。2019年，他们创造了一颗体积约1立方厘米的单晶钻石，没有任何裂纹。通过在甲烷和氢气之外使用氧气和氮气，他们成功增加了晶体的厚度。这是为了制造更大的单晶并实现更大的晶圆而进行的尝试。

　　产业技术综合研究所钻石晶圆研究组组长山田英明充满热情地表示：“钻石又被称为终极半导体材料，但距离实现这一目标还有很长的路要走。半导体制造商告诉我们，他们需要4英寸的晶圆，我们愿意朝着这个目标努力。”（编译/刘林）