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”。

近日，西安交大王宏兴研究团队采用微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）技术，成功实现2英寸异质外延单晶金刚石自支撑衬底的批量化，达到世界领先水平。


1、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。


2、大尺寸衬底是金刚石半导体商业化难点之一

金刚石作为超宽禁带半导体材料的一员（禁带宽度5.5eV），具有一系列优异的物理和化学性质，如高载流子迁移率、高热导率、高击穿电场、高载流子饱和速率和低介电常数等，这使其在高新科技尖端领域中，特别是电子技术中得到广泛关注，被公认为是最具前景的新型半导体材料，被业界誉为“终极半导体材料”。

金刚石半导体虽然有优点诸多，但由于其极高的硬度，在制造时难度非常大。金刚石半导体广泛商用目前存在几大难题，其中之一便是“缺乏大尺寸金刚石衬底，阻碍了大尺寸金刚石的生长”。通过将小尺寸衬底拼接，虽然可以制备出大尺寸单晶，但在拼接处存在缺陷，影响金刚石膜的质量。扩大CVD金刚石衬底的晶体尺寸以及实现单晶金刚石的高速生长是制备高质量大尺寸半导体金刚石材料的前提条件。

从2008年开始，欧盟投入资金推动化学气相沉积方法（CVD）在氮化镓（GaN）器件背面生长金刚石。随后美国国防部高级研究计划局、海军研究办公室等投入大量资金，但由于价格高昂，使得金刚石衬底的氮化镓器件的应用被限制在国防和航天等领域。

金刚石电子器件的发展受限于大尺寸、高质量的单晶衬底，硅、蓝宝石等衬底的商业化，为异质外延单晶金刚石提供了前提条件。

西安交大王宏兴团队经过长期科研攻关，独立自主开发了系列具有自主知识产权的单晶金刚石微波等离子体化学气相沉积设备，掌握了有关技术，并已全面完成了原理性创新、实验室试验研究和中试实验，可批量化提供1~2英寸的大面积高质量单晶金刚石衬底。


3、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。