编者按：

玛丽莲梦露曾告诉大家，“钻石是女性最好的朋友”。不过，近期这位好朋友价格大跳水，1克拉培育钻石相比高点已跌超80%，假如你想，你可以拥有更多更大的好朋友了。

中国是生产培育钻石（也就是人造钻石）的大国，2023年生产的钻石毛胚超越2200万克拉，全球占比超七成，而中国80%的产能在河南。那样，河南老乡“种”这么多人工钻石做什么？是想让大伙买得起吗？

在一众“买钻石还值不值”的讨论中，有一条评论看上去思维跨度有点大：

钻石和半导体有哪些关系？

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（包含你手机里的芯片）里，它是摩尔定律完蛋之后的将来期望。

今天大家就来给大伙讲讲钻石半导体。

钻石（图片来源：veer图库）

Part.1 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非常小的细颗粒，只可以用在车刀、钻头或者砂纸上不同。近年来各种珠宝展会上的人工钻石展台，必然会有各种五颜六色的钻石出现。这是为何呢？

譬如下图中各种真的的彩色钻石很颠覆大伙对钻石无色纯净的印象。

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

那样，缘由在哪呢？由于这类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商品，拿出来废物借助卖给首饰界收购一部分开发投入。当然，假如需要的量大，想来他们也不在意接单专门定制生产特殊颜色的钻石。那样为何这类单位要生产出这么多花样的废料，而且看着一个个颗粒都非常大？

答案都在这张表格里。

所有都是为了钻石半导体，吊打硅半导体的碳半导体材料。

硅和钻石都是如此的四面体晶体构型

（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……那是让人称为“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，与更小的原子尺寸，所有都昭示着钻石半导体有着很光明的前景。

Part.2 如何造出足够大的钻石？

有前景不代表没问题。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。所有“天然”、“稀缺”、“美好”都要给“性能”让路。

第一个拦路虎就是要可以得到足够大的纯净单晶块体用于加工。读者可以先抠源于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，做一个尺寸的定义对比吧。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，需要努力打通人工合成钻石的科技树。

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

由于天然存在的金刚石的碳四面体互联网结构是在地层深处高温高压的条件下形成的，那样刚开始，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况，刚开始的方法很简单暴力：BOOM！没错，就是借助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用途下相变，得到金刚石。

BOOM！BOOM！BOOM！（图片来源：veer图库）

在持续的炸药爆轰下，确实得到了不少人工金刚石。从用词上大伙都能看出来，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常见颗粒细碎，没方法被叫做宝石，只可以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。

国产铰链式六面顶压机（图片来源：察看者网）

高压法

另一种办法是机械顶压机达成高压，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，这也是现在生产人造钻石的主流技术。

而且，相比天然钻石，重压机法人工合成钻石的尺寸从刚开始就是相当大的，约10年前进入国内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。重压机顶压出来的钻石，已经可以非常不错的应用于超硬刀具等的生产环节上了。早年海外某公司生产的人工钻石的生产本钱大约是天然钻石的60%。在国内自主研发的六面顶压机技术的加持下，国产人造钻石的本钱做到了世界最低，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，几乎可以一定是冲着大量的价廉物美的国产人工钻石来的。

高温高压下石墨转变为金刚石的机理（图片来源：察看者网）

CVD（化学气相沉积）成长法

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，但用于芯片的话，氮元素超标也是不可以的。同样的，重压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。

目前的钻石半导体科技树转向CVD成长法。基本的定义就是在用重压机生产的钻石基片上直接沉积碳原子，“长出”一片钻石来。CVD的材料气是甲烷或者乙炔气体，分解后碳原子沉积到基底上，得到金刚石材料很纯净，可以得到完全透明，几乎不含杂质的纯净金刚石，这就可以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。

中国科学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。可以参考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……现在，国际上不止一家达成了英寸级以上的金刚石圆片的生产。参照一下男性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。

这个时候，即使生产出来的钻石薄片还不可以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，甚至远好于你不舍得多用的高级散热硅脂里的银。如此好的导热材料做芯片衬底，那真的是超频玩家的巨大福音，无论是用含银硅脂、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，尤其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，无论是用于计算的CPU/GPU，还是用于AESE的T/R模组，都无疑是很好的消息。

Part.3 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。

假如硅要用于半导体，需要进行掺杂，得到P型和N型材料。同是IV族元素的碳晶体如何可能例外？钻石半导体的P型掺杂和N型掺杂一样是需要的。现在来讲，P型掺杂已经有几种相对成熟的工艺，达成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，现在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，那自然必不可少各种实验，从不一样的理论上，研究职员尝试的N型掺杂的方法主要有如下几类：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），当然更必不可少共掺杂。再加上怎么样掺杂的达成方法，譬如CVD时加入，还是再注入，还是来自基底的扩散？。这一串策略光看都会感觉晕，更别提可怜的实验狗了……

不过聪明的读者一定想到了，不一样的生产、掺杂和处置过程一定能影响到钻石整体的色泽呈现，那样大量的失败实验中，假如不执着于得到N型半导体材料的话，自然可以优选出一些呈色稳定漂亮的策略用于生产珠宝级钻石。这就是为何奇奇怪怪的国内人工钻石公司手里有不少天然罕见的彩色钻石是什么原因了，而且颗粒大，无缺陷，净度高，色彩均匀，非常重要的是价格实惠。

Part.4 结语

因为金刚石超宽的禁带宽度（5.45eV），与抗辐射损伤高灵敏度、低暗电流等优势，目前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，大家可以这么畅想将来：

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，给各位读者一句忠告：

著名珠宝设计师史隆伯杰觉得钻石缺少人情味，一直防止用它来显示财富：“你可以在翻领上别张支票。”

剁手钻石之前，多想想这句话吧。

来源：科学大院

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