2024年了，“钻石芯片”还要多久造出来？

研究不少，产品难做。

金刚石，被称作自然界中最硬的物质。在经过打磨后，这种“普通”的碳晶体就化身为宝石级的钻石，身价随之倍增。

而除了装饰外，很少有人知道金刚石其实也能用于半导体行业，在加工后变身为价格昂贵的“高端芯片”。

在材料类期刊Small近期发布的一篇文章里，提到了大阪公立大学研究小组利用金刚石为衬底，制作出了氮化镓（GaN）晶体管。而该晶体管的散热能力，要比传统晶体管提高了2倍以上。

这篇文章表示，这种由晶体管不仅可以用于5G通信基站、气象雷达、卫星通信等领域，还可以用于微波加热、等离子体处理等领域。

但笔者在查阅相关信息后发现，早在二十年前，科学界就曾掀起研究金刚石半导体的热潮。包括刚刚过去的2023年，有不少企业和研究机构推出类似的技术，这其实就包括华为与哈尔滨工业大学共同合作的金刚石芯片专利。

但时至今日，钻石芯片仍未掀起多大的水花。

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。

图 | 热量情况对比

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。

图 | Namiki于2022年4月制作的2英寸晶圆

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。

让金刚石变成芯片，比想像地难得多

随着近些年投入“人造钻石”的企业越来越多，人工培育钻石已经在电信、光学、医疗保健等领域中得以广泛应用。

在这么多有利条件下，行业仍然没有拿得出手的芯片产品，那么问题到底出现在哪里？

原因很多，但归根究底还是供给问题——纯度高的天然金刚石供不应求，而人造金刚石又会因为工艺问题，并不适合制造半导体。

前面提到，金刚石芯片的长期的方向是作为“高端芯片”的突破口，而不是普通芯片的替代，这就要求晶圆更大。

以目前人造金刚石企业的技术水平，显然是造不出大尺寸晶圆，更不要说达到商业化的要求。

以Diamond Foundry为例，该公司目前生产的晶圆尺寸大约为4英寸长宽、小于3毫米厚度。日本企业的晶圆尺寸更小，只有大约2英寸。

尺寸小是一方面，想要造出一颗能用的芯片，还得考虑如何提高金刚石的生长反应速度、有效切割这种坚硬的材料，并对晶圆的表面进行处理。

直到最后一步，才是将金刚石晶圆与半导体芯片结合，这中间有太多的步骤等待突破了。

因此，虽然我们能看到非常多的专利与研究，但金刚石芯片离半导体产业还有很长的道路要走，不仅仅需要降成本、扩大规模，尺寸和金刚石纯度都需要考虑到位。

如果只是让金刚石企业独自来做这件事，那确实很有难度。

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