半导体金刚石有什么不同 每种金刚石都能造芯吗？

“培育钻石”的原材料金刚石（Diamond）的作用远不止装饰与消费，它不仅在加工石材、有色金属、复合材料等方面有着不可替代的作用，还被行业冠以终极半导体材料的称号。

早在二十年前，科学界就曾掀起研究金刚石半导体的热潮，但时至今日，我们也未用上金刚石半导体所制造的器件，以致有工程师感叹，金刚石永远处在半导体实用化的边缘。究竟有哪些难题阻碍了它发展，它会如何变革半导体行业？

不是每种金刚石都能造芯**

金刚石生长主要分为HTHP法（高温高压法）和CVD法（化学气相沉积法），二者生长方法侧重在不同应用，未来相当长时间内，二者会呈现出互补的关系。

对半导体来说，CVD法是金刚石薄膜的主要制备方法，而HPHT金刚石单晶也会在CVD合成法中充当衬底主要来源。

金刚石两种主要生长方法对比，制表丨果壳硬科技

参考资料丨《人工晶体学报》，力量钻石招股书

其中，CVD法还细分为HFCVD、DC-PACVD、MPCVD及DC Arc Plasma Jet CVD四种生长方法。由于MPCVD法采用无极放电，等离子体纯净，是目前适合高质量金刚石生长的方法，同样也适用于高质量金刚石外延及掺杂研究。

CVD的四种主要方法及应用，制表丨果壳硬科技

参考资料丨《人工晶体学报》

实际上，培育钻石也会用到HTHP法和CVD法，但做半导体芯片的金刚石与造钻石和造工具可不是一种：一是纯度不同，二是需要进行掺杂。

更纯的金刚石才能做半导体

早期的金刚石分类主要以其谱学特征分为Ⅰ型和Ⅱ型，Ⅰ型杂质含量较高，对300nm以下的紫外光不透明，且在1430~500cm^-1^范围内有强吸收，Ⅱ型金刚石则纯度较高，对上述波段完全透明。在Ⅰ型和Ⅱ型的基础上，按氮（N）、硼（B）等杂质种类和数量不同，继而分为Ⅰa、Ⅰb、Ⅱa、Ⅱb等类型。

这种分类较为粗略，在机械和工具还是足够的，如Ⅰb型金刚石大单晶 （黄色，氮含量约数百ppm）多用在热沉、切割刀具、高精度机械加工等方面，优质Ⅱa型金刚石大单晶 （无色，氮含量小于1ppm）主要用作高功率激光的散热片、红外分光用的窗口材料、金刚石对顶砧等，Ⅱb型金刚石则利用其半导体特性扩展自身的应用空间。

但这种分类方式对半导体来说明显不够精细，直到20世纪90年代出现光学级CVD的概念，后来陆续出现量子级、电子级、光学级、热学级、力学级等称谓。这些分级主要参考位错密度和含氮量两个参数，本质上，空位和空位聚集形成的微孔洞及多晶高速生长中晶界连接形成的黑色组织是影响金刚石分级的主要因素。

CVD金刚石的分类及其缺陷要求

需要强调的是，金刚石分为单晶和多晶两种。多晶金刚石一般用于热沉、红外和微波窗口、耐磨涂层等方面，但它不能真正发挥金刚石的优异电学性能，这是由于其内部存在晶界，会导致载流子迁移率及电荷收集效率大幅度降低，使得其所制备的电子器件性能受到严重抑制。单晶金刚石则不会有这种顾虑，一般用于探测器（如紫外探测器、辐射探测器）和功率器件（如场效应晶体管、二极管）等关键领域。

举个例子来说，曾经光伏行业一度呈现单晶硅和多晶硅分天下的格局，但当单晶硅成本急剧下降后，多晶硅的成本优势弱化，逐渐淡出竞争，转向特定领域。金刚石半导体是同样的道理，单晶性能更好但成本会较高，多晶会在成本敏感应用领域具备价值，同时一些器件也只能使用单晶金刚石。