合成鉆石有望成終極半導體材料
來源：參考消息網
參考消息網4月24日報道 據日本《每日新聞》4月22日報道，鉆石可以在工廠生產了。作為一種已經成熟的產業，近年來人工鉆石的市場規模持續擴大，但價格開始大幅下跌。日本的風投企業開始將目光轉向鉆石具有的某種終極性能，不是作為珠寶，而是用于產品研發。
在作為寶石流通的鉆石中，“人工鉆石”的占比不斷上升。除了能夠以低成本獲取高克重寶石之外，由于無需挖掘礦山，還避免了開采天然鉆石引發的濫砍森林、強迫勞動等負面問題，以聯合國可持續發展目標的角度衡量同樣值得關注。
在人工鉆石中，用于珠寶制作的又被稱為“培育鉆石”(LGD)，指的是這些鉆石是在實驗室中培養的。大阪府豐中市的鉆石材料制造商EDP的負責人藤森直治介紹：“據說美國市場上LGD的占比已經超過50%。”
EDP創立于2009年，其核心技術來自產業技術綜合研究所，優勢在于能夠生產大型“單晶”鉆石，這些鉆石本身就是單獨的晶體，其中的碳原子以規則的方式排列，而不是由許多晶粒組成的“多晶”鉆石。
人工鉆石的制造方式主要有兩種。一種是在類似于形成天然鉆石的地下深處的高溫高壓條件下使原料碳結晶；另一種是在高溫低壓條件下從氣體中制造鉆石，又稱為“低壓化學氣相沉積法”。目前第二種已經成為主流工藝，EDP也大量引進了此類設備。
其工作原理類似于微波爐，在將氣壓降低至0至1個大氣壓后添加甲烷和氫氣。當輸出強微波時，就會產生等離子體，發生化學反應，碳原子就像薄膜一樣沉積在板狀鉆石的母晶上并開始生長。
但鉆石是最堅硬的物質，切割母晶和在其上生長出板狀鉆石十分困難。當時仍供職于產業技術綜合研究所的藤森和其領導的團隊提出了一種注入離子的方法。
當碳離子轟擊母晶體時，距離頂部約1/1000毫米內的晶體會被破壞。從那時起，已經長出的部分可以輕松剝離，成為可以用作新母晶的“種子晶體”。
如果讓這片種晶進一步生長，它就會變成一顆有厚度的晶體，如果切割成圓形，就會變成幾克拉的寶石。藤森社長表示：“天然鉆石中氮的含量約為0至2%，但人工培育的鉆石不含雜質，而且可以形成大晶體，并進行著色。我們可以創造出與傳統思路都不同的具有全新設計感的寶石。”事實上，EDP已經培育出十字形和淚滴形鉆石。他們甚至考慮過制造指環形狀的鉆石。
另一方面，人工鉆石制造商雨后春筍般涌現，尤其是在印度，一克拉人造鉆石的價格已從2016年的5000美元左右暴跌至2020年的1000美元。印度制造商也從EDP進口種子晶體，但據說也有制造商開始自主生產。
因此，EDP目前正在加大力度開發利用鉆石特性的半導體材料。鉆石中原子密集排列，這不僅使其質地堅硬，而且具備了極佳的熱導性能。例如，散熱對于計算機來說是一個問題，但鉆石通過空氣冷卻，不易升溫。它可承受高電壓，在作為功率半導體材料方面被寄予厚望，而功率半導體在電動汽車和其他設備中的需求量很大。
然而到目前為止這些特性還沒有得到很好的利用。這是因為沒有圓形、板狀的“晶圓”作為半導體基板。所以在今年，EDP創造了一種形狀為板狀、面積為3厘米見方的單晶。據稱這是迄今為止世界上最大的單晶。這些方形基板將被切割成圓形，制成直徑為一英寸(約合2.54厘米)的晶圓，并計劃在未來生產更大尺寸。
將其技術轉讓給EDP的產業技術綜合研究所也看到了鉆石晶片的潛力。2019年，他們創造了一顆體積約1立方厘米的單晶鉆石，沒有任何裂紋。通過在甲烷和氫氣之外使用氧氣和氮氣，他們成功增加了晶體的厚度。這是為了制造更大的單晶并實現更大的晶圓而進行的嘗試。
產業技術綜合研究所鉆石晶圓研究組組長山田英明充滿熱情地表示：“鉆石又被稱為終極半導體材料，但距離實現這一目標還有很長的路要走。半導體制造商告訴我們，他們需要4英寸的晶圓，我們愿意朝著這個目標努力。”（編譯/劉林）
