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郑州华晶金刚石股份有限公司

怎么造出足够大的钻石?纯净钻石不好?关于培育钻石你可能不知道的知识

关键词 金刚石|2020-02-24 13:44:52|来源 科学大院
摘要 玛丽莲梦露曾告诉我们,“钻石是女人最好的朋友”。不过,钻石(也就是首饰界对大颗粒金刚石的称呼)其实是工业界的“材料之王”,光学器件、刀具磨具、甚至太空飞行器上都有钻石的存在!至于在...

玛丽莲梦露曾告诉我们,“钻石是女人最好的朋友”。不过,钻石(也就是首饰界对大颗粒金刚石的称呼)其实是工业界的“材料之王”,光学器件、刀具磨具、甚至太空飞行器上都有钻石的存在!至于在半导体产业(包括你手机里的芯片)里,它是摩尔定律完蛋之后的未来希望。

今天我们就来给大家讲讲钻石半导体。

生产彩色人工钻石,就是为了造半导体

和以往的人工钻石只能生产出很小的细颗粒,只能用在车刀、钻头或者砂纸上不同。最近各种珠宝展会上的人工钻石展台,一定会有各种五颜六色的钻石出现。这是为什么呢?

比如下图中各种真正的彩色钻石非常颠覆大家对钻石无色纯净的印象。

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中国兵器工业集团豫西集团中南钻石有限公司生产的彩色钻石(图片来源:微博@兵工之声)

那么,原因在哪呢?因为这些白色或者彩色的人工钻石,都可以说是人造钻石生产实验的副产品,拿出来废物利用卖给首饰界回收一部分开发投入。当然,如果需要的量大,想来他们也不介意接单专门定制生产特殊颜色的钻石。那么为什么这些单位要生产出这么多花样的废料,而且看起来一个个颗粒都很大?

答案都在这张表格里。

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一切都是为了钻石半导体,吊打硅半导体的碳半导体材料。

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硅和钻石都是这样的四面体晶体构型(图片来源:veer图库)

同为IV主族的元素,碳元素也有做半导体的能力。和硅晶体原子结构同为四面体排布的钻石,在半导体方面的理论潜力……那是被人称为“功率半导体的圣杯”的存在。超高的热导率、更大的击穿场强,更高的迁移率,以及更小的原子尺寸,一切都昭示着钻石半导体有着非常光明的前景。

怎么造出足够大的钻石?

有前景不代表没有问题。钻石半导体面临的基本问题就是最基础的材料科学问题,这可是一点点情怀,象征都不讲的硬碰硬的技术问题。一切“天然”、“稀缺”、“美好”都要给“性能”让路。

第一个拦路虎就是要能够得到足够大的纯净单晶块体用于加工。读者可以先抠出自己电脑或者手机里的CPU,看看芯片的大小,然后再去找出一个克拉级钻戒,做一个尺寸的概念对比吧。所以,那些首饰级的克拉级小钻石,做钻石芯片可不够。所以,钻石半导体工业的基础,要指望芝麻绿豆大的天然钻那是绝无可能的,必须努力打通人工合成钻石的科技树。

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细碎的天然钻石,这已经是筛选出的大颗粒了(图片来源:veer图库)

爆轰法:

因为天然存在的金刚石的碳四面体网络结构是在地层深处高温高压的条件下形成的,那么一开始,工业界要合成人工金刚石就在努力模拟这种高温高压的状态,一开始的办法非常简单粗暴:BOOM!没错,就是利用高能炸药爆炸瞬间形成的高温高压态,引起石墨里的碳在催化剂作用下相变,得到金刚石。

在不断的炸药爆轰下,确实得到了很多人工金刚石。从用词上大家都能看出来,尺寸太小,达不到宝石级,没法叫钻石。爆轰法生产的人工金刚石普遍颗粒细碎,没有办法被称为宝石,只能用于钻头的镶嵌甚至用于磨料。所以,爆轰法淡出了工业钻石科技树的主干。

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国产铰链式六面顶压机(图片来源:观察者网)

高压法:

另一种方法是机械顶压机实现高压,再通过电加热形成高温,通过高温高压环境的催化相变使碳元素转变为钻石,这也是目前生产人造钻石的主流技术。而且,相比天然钻石,压力机法人工合成钻石的尺寸从一开始就是相当大的,约10年前进入中国市场的人工钻石的尺寸就是0.5克拉起步,大的可以到3克拉。压力机顶压出来的钻石,已经能够很好的应用于超硬刀具等的生产环节上了。早年国外某公司生产的人工钻石的生产成本大约是天然钻石的60%。在我国自主研发的六面顶压机技术的加持下,国产人造钻石的成本做到了世界最低,产量也达到了全世界的90%以上,可以说首饰圈的“人造钻石不好”的论调,几乎可以肯定是冲着海量的价廉物美的国产人工钻石来的。

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高温高压下石墨转变为金刚石的机理(图片来源:观察者网)

CVD(化学气相沉积)生长法:

爆轰法还有一个缺点,高能炸药里面富含的氮元素掺杂进金刚石,使金刚石的色泽偏黄,使得在首饰市场里都不讨喜。当然钻头和精密加工刀具不在乎刃或尖端的金刚石到底是白的还是黄的,但是用于芯片的话,氮元素超标也是不行的。同样的,压力机的生产也会在钻石里带进比较多的氮,并且生产出来的尺寸不利于得到大尺寸盘片,所以这对于半导体加工也是不利的。

现在的钻石半导体科技树转向CVD生长法。基本的概念就是在使用压力机生产的钻石基片上直接沉积碳原子,“长出”一片钻石来。CVD的原料气是甲烷或者乙炔气体,分解后碳原子沉积到基底上,得到金刚石材料非常纯净,可以得到完全透明,几乎不含杂质的纯净金刚石,这就能够满足半导体工业生产所需的高纯净钻石材料了,至于首饰,那更不在话下。

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中科院宁波材料所生产的人工钻石(图片来源:作者拍摄)

对半导体生产友好的另一件事是,CVD生产的金刚石是从薄膜到薄片到厚片再到块体的。可以根据生产的需要进行定制设计,那就摆脱了天然金刚石原石不规则颗粒的麻烦。至于生产出来的大小……目前,国际上不止一家实现了英寸级以上的金刚石圆片的生产。参照一下男士手表表盘和前面抠出来的CPU大小,1英寸圆片的大小已经够格用来切芯片了。

这时候,就算生产出来的钻石薄片还不能直接用于半导体生产,其实也可以用于半导体工业了——做芯片衬底材料。还记得那张表上的热导率数据吗?钻石的热导率比硅材料强十多倍,是已知最好的散热材料,甚至远好于你舍不得多用的高级散热硅脂里的银。这样好的导热材料做芯片衬底,那简直是超频玩家的巨大福音,不管是用含银硅脂、热管水冷、液氮还是冒险上液态金属,不都是想让芯片内部的热尽快散出去嘛。芯片本身的散热能力大大增强,特别是抗局部过热能力的增强,可以大幅增加芯片的容许的功率上限,不管是用于计算的CPU/GPU,还是用于AESE的T/R模组,都无疑是非常好的消息。

居然不要造纯净的钻石?

钻石要用于半导体,还要面临第二个问题:掺杂。

如果硅要用于半导体,需要进行掺杂,得到P型和N型材料。同是IV族元素的碳晶体怎么可能例外?钻石半导体的P型掺杂和N型掺杂一样是必须的。目前来说,P型掺杂已经有几种相对成熟的工艺,实现在钻石中注入或者掺入硼元素,得到P型半导体芯片材料。但是,目前的拦路虎是掺杂得到N型半导体材料,解决了N型掺杂的问题,那就是钻石半导体的科技树打通的时刻了。

说到掺杂,那自然少不了各种实验,从不同的理论上,研究人员尝试的N型掺杂的方式主要有如下几类:氮掺杂、磷掺杂、锂或钠掺杂、氧或硫掺杂及其他元素掺杂(如钾、镁、铍、砷等元素),当然更少不了共掺杂。再加上如何掺杂的实现手段,比如CVD时加入,还是再注入,还是来自基底的扩散?。这一串方案光看都会觉得晕,更别提可怜的实验狗了……

不过聪明的读者肯定想到了,不同的生产、掺杂和处理过程肯定能影响到钻石整体的色泽呈现,那么海量的失败实验中,如果不执着于得到N型半导体材料的话,自然可以优选出一些呈色稳定好看的方案用于生产珠宝级钻石。这就是为什么奇奇怪怪的国内人工钻石公司手里有很多天然罕见的彩色钻石的原因了,而且颗粒大,无瑕疵,净度高,色彩均匀,最重要的是价格便宜。

结语

由于金刚石超宽的禁带宽度(5.45eV),以及抗辐射损伤高灵敏度、低暗电流等优势,现在已经成为极端环境下(如核反应堆、托克马克、激光核聚变试验,外层空间等)工作的粒子探测器或者辐射探测器的材料。
放飞一下自我,我们可以这么畅想未来:

甲:“看看我的大钻戒!”,

乙微笑着拿起微单相机:“看见屏幕了么?钻石的!”

拧下镜头:“全画幅传感器看到了么,钻石的!”

然后举起镜头:“看见镜片了么?钻石的!”

对,钻石的折光率也是远高于光学玻璃的……

最后,给闷在家里没法出去买买买的读者们一句安慰吧:

史隆伯杰认为钻石缺乏人情味,一直避免用它来显示财富:“你不妨在翻领上别张支票。”

剁手钻石之前,多想想这句话吧。


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