金刚石能否代替芯片的基体材料硅?

金刚石要能代替芯片的基本材料硅的话,母猪都能上树。在半导体发展历史上,最初流行锗半导体,不久就被硅半导体打败,最终硅统治了半导体王国,锗半导体仅在少数领域刷存在感。实话实说,金刚石虽然能俘虏女人的心,但在半导体行业人士眼里,商业价值甚至比不过锗。

下面,我条分缕析,一一解析原因。

要替代硅,元素含量必须丰富,容易开采

硅被称为“上帝赐给人类的财富”,原因之一是,它占地壳总质量的26.4%,是仅次于氧的含量第二丰富的元素,随便抓起一把沙子、泥土,拿起一块石头,里面都含有大量的硅的氧化物——二氧化硅。

相比之下,锗的含量只有100万分之7,含量十分稀少,而且几乎没有比较集中的锗矿,

这就造成锗的开采成本是硅的几百倍,商业价值很低。

金刚石虽然有集中的金刚石矿,但含量太少了。2015年,全球半导体级的多晶硅需求超过6万吨,每年都在增长。想要替代硅的话,上哪去找每年6万多吨的金刚石?

金刚石提纯难

金刚石含有或多或少的杂质,要去除这些杂质,以目前的科技,很难做到。而硅的提纯相对容易得多,将硅石在电弧炉中熔化,用碳或石墨还原,得到硅含量98.5%的工业硅(又叫“金属贵”),然后粉碎成微细粉末,与液态氯化氢(不是盐酸,盐酸是氯化氢的水溶液)在大约300摄氏度发生反应,生成三氯氢硅,经蒸馏、精制,获得很高的纯度,然后将高纯三氯氢硅与超高纯氢发生还原反应,得到纯度99.999999999%的多晶硅(比纯金多7个9),然后拉制单晶硅。

一根直径12英寸(目前最大)的单晶硅棒,高约2米,重约350公斤,纯度99.999999999%,相当于100亿个硅原子中,允许1个杂质原子存在。


从上述过程可以看出,硅的提纯就是一系列连续的氧化、还原反应。要让化学反应产生,元素的化学性质需要相对活泼,但金刚石的主要成分是碳元素,碳的化学性质远不及硅活泼,难以进行去除杂质的氧化、还原反应,纯度提升很难。

金刚石加工难

在提纯难关之后,加工的难题才是最大的难题。制作芯片前,单晶硅棒需要切成薄片,硅的硬度虽然高,但可以利用自然界最硬的物质金刚石进行切割。

但,用金刚石做芯片基体材料,切割将是难题,用金刚石切割金刚石,效率低,费用高,只能用硬度更高的人造物质。

目前已知硬度最高的人造物质是碳炔,硬度是金刚石的40倍,但还处于试验阶段,未到大规模商业化阶段。如何将金刚石切片,现在还没有很好的解决办法。

就算不久的将来,碳炔能顺利商用,金刚石能被切成薄片,真正的难题来了:如何制造绝缘膜?

在硅片上制造绝缘膜非常方便,将硅片放到900摄氏度左右的高温水蒸气环境中,硅片就会与氧发生热氧化反应,在表面生长硅氧化膜——二氧化硅(玻璃的主要成分),然后对其涂抹光刻胶,进行刻蚀,再配合其它工艺和材料,就可以得芯片。硅氧化膜具有不吸潮、耐酸碱、导热性好、光学性能稳定、绝缘性能良好的特点(感觉抽象的,脑想想玻璃的特点),是芯片制作的前提,而且通过硅这种基体材料就可以方便地得到硅氧化膜,正是因为硅氧化膜如此重要,得来又如此容易,加上硅含量丰富,所以硅才被称为“上帝赐给人类的财富”。

金刚石做芯片基体的话,氧化膜从那里来?金刚石本身是纯碳,其氧化物是二氧化碳,常温下是气态,充当绝缘?那是不可能的,一形成人家就跑到空气中逍遥自在了。用其它氧化物?试验验证、工艺流程研发、设备改造,花钱海去了,还不一定能成功。

总之,用金刚石做芯片基体材料,不仅含量少,而且加工极难,商业价值极低,由于这些缺点,根本不可能取代硅在芯片行业的地位。


原创回答,搬运必究。

回答这个问题,必须弄清三方面问题:

  1. 芯片对基体材料有哪些要求。

  2. 金刚石能否满足这些要求。

  3. 金刚石相比硅,是否有优势。

我认为,金刚石不能代替芯片的基体材料硅

哪些材料能用于芯片基体?

能用于制作芯片基体的半导体材料有如下几类:

  • 元素半导体材料:以单一元素组成的半导体,属于这一材料的有硼、金刚石、锗、硅、灰锡、锑、硒、碲等,其中以锗、硅、锡研究较早,制备工艺相对成熟。

  • 复合半导体材料:由两种或两种以上无机物化合成的半导体,种类繁多,已知的二元化合物就有数百种。

  • 三五半导体:由Ⅲ族元素Al、Ga、In和V族元素P、As、Sb组成,比如砷化镓(GaAs);它们都具有闪锌矿结构,在应用方面仅次于Ge、Si。

  • 二六半导体:Ⅱ族元素Zn、Cd、Hg和Ⅵ族元素S、Se、Te形成的化合物,是一些重要的光电材料;ZnS、CdTe、HgTe具有闪锌矿结构。

  • 四六半导体:SiC和Ge-Si合金都具有闪锌矿的结构。

由上述分类可以看出,金刚石的确是半导体材料,有做成芯片基体的潜能。接下来需要考虑,金刚石能否满足芯片对基体材料的要求。

金刚石能否替代硅?

这个问题需要从两者的化学特性和工业制作成本来考虑。

一、化学特性对比

硅有无定形硅和晶体硅两种同素异形体,晶体硅为灰黑色,无定形硅为黑色,密度2.32-2.34克/立方厘米,熔点1410℃,沸点2355℃,晶体硅属于原子晶体。不溶于水、硝酸和盐酸,溶于氢氟酸和碱液。硬而有金属光泽。

硅的电导率与其温度有很大关系,随着温度升高,电导率增大,在1480℃左右达到最大,而温度超过1600℃后又随温度的升高而减小。

金刚石它是一种由碳元素组成的矿物,是碳元素的同素异形体,金刚石是自然界中天然存在的最坚硬的物质。其结构是正八面体晶体,晶体中每个碳原子都以sp3杂化轨道与另外4个相邻的碳原子形成共价键,每四个相邻的碳原子均构成正四面体。晶体类型金刚石中的CC键很强,所有的价电子都参与了共价键的形成,没有自由电子,所以金刚石硬度非常大,不导电,熔点在3815℃。金刚石在纯氧中燃点为720~800℃,在空气中为850~1000℃。

二、工业制作对比

1.原料成本

硅也是极为常见的一种元素,然而它极少以单质的形式在自然界出现,而是以复杂的硅酸盐或二氧化硅的形式,广泛存在于岩石、砂砾、尘土之中。硅在宇宙中的储量排在第八位。在地壳中,它是第二丰富的元素,构成地壳总质量的26.4%,仅次于第一位的氧(49.4%)。

世界上有20多个国家赋存有金刚石矿产,主要分布在澳大利亚、非洲西部和南部,以及俄罗斯的亚洲部分。目前,全世界金刚石产量每年超过100百万克拉,其中宝石级15%,近宝石级38%,工业级47%。

相比于硅的来源,金刚石因存量少,原料成本是相当高的。

2.制作成本

金刚石的出产是很复杂的,它需要经过采矿、粉碎、冲洗、沉淀、挑选、分类、切割、打磨以及抛光等诸多工序之后才能出现在市场上。从开采的大块岩石中将钻石分离出来是相当困难的。即使有先进的技术,发掘的过程仍然十分复杂。而生产一颗切磨好的1克拉重的金刚石,必须从钻石矿藏中挖出至少约250吨的矿土进行加工处理而成。

金刚石还因硬度太高,难以加工;此外,相比于单晶硅,金刚石提纯工艺复杂,很难提纯到6个9或7个9的等级。

总结

金刚石从理论上来说,是可以作为芯片基体材料的。但是,从工业制作的角度来说,原料储存少、加工难度大的金刚石,不适合替代硅制作芯片,即便制作出来了,价格也是难以承受的。

特殊情况,特殊对待。一般是没有那么替的

不会,因为它不具备半导体特性,而且加工提纯困难。

碳化硅(SIC)是半导体界公认的“一种未来的材料”,是新世纪有广阔发展潜力的新型半导体材料。预计在今后5~10年将会快速发展和有显著成果出现。促使碳化硅发展的主要因素是硅(SI)材料的负载量已到达极限,以硅作为基片的半导体器件性能和能力极限已无可突破的空间。而金刚石虽然说本质也是碳,但原子排列不一样,目前不能代替芯片材料!至少是几十年以内!

对这个问题我们首先分析这两种材料的特性之后再做判断。

一、硅

化学成分

硅是重要的半导体材料,化学元素符号Si。电活性杂质磷和硼在合格半导体和多晶硅中应分别低于0.4ppb和0.1ppb。拉制单晶时要掺入一定量的电活性杂质,以获得所要求的导电类型和电阻率。重金属铜、金、铁等和非金属碳都是极有害的杂质,它们的存在会使PN结性能变坏。硅中碳含量较高,低于1ppm者可认为是低碳单晶。碳含量超过3ppm时其有害作用已较显著。硅中氧含量甚高。氧的存在有益也有害。直拉硅单晶氧含量在5~40ppm范围内;区熔硅单晶氧含量可低于1ppm。

硅的性质

硅具有优良的半导体电学性质。禁带宽度适中,为1.12电子伏。载流子迁移率较高,电子迁移率为1350厘米2/伏·秒,空穴迁移率为480厘米2/伏·秒。本征电阻率在室温(300K)下高达2.3×105欧·厘米,掺杂后电阻率可控制在104~10-4 欧·厘米的宽广范围内,能满足制造各种器件的需要。硅单晶的非平衡少数载流子寿命较长,在几十微秒至1毫秒之间。

热导率较大。化学性质稳定,又易于形成稳定的热氧化膜。在平面型硅器件制造中可以用氧化膜实现PN结表面钝化和保护,还可以形成金属-氧化物-半导体结构,制造MOS场效应晶体管和集成电路。上述性质使PN结具有良好特性,使硅器件具有耐高压、反向漏电流小、效率高、使用寿命长、可靠性好、热传导好,并能在200高温下运行等优点。

技术参数

硅单晶主要技术参数有导电类型、电阻率与均匀度、非平衡载流子寿命、晶向与晶向偏离度、晶体缺陷等。

导电类型  导电类型由掺入的施主或受主杂质决定。P型单晶多掺硼,N型单晶多掺磷,外延片衬底用N型单晶掺锑或砷。

电阻率与均匀度  拉制单晶时掺入一定杂质以控制单晶的电阻率。由于杂质分布不匀,电阻率也不均匀。电阻率均匀性包括纵向电阻率均匀度、断面电阻率均匀度和微区电阻率均匀度。它直接影响器件参数的一致性和成品率。

非平衡载流子寿命  光照或电注入产生的附加电子和空穴瞬即复合而消失,它们平均存在的时间称为非平衡载流子的寿命。非平衡载流子寿命同器件放大倍数、反向电流和开关特性等均有关系。寿命值又间接地反映硅单晶的纯度,存在重金属杂质会使寿命值大大降低。

晶向与晶向偏离度  常用的单晶晶向多为 (111)和(100)(见图)。晶体的轴与晶体方向不吻合时,其偏离的角度称为晶向偏离度。

单晶硅的制作

硅单晶按拉制方法不同分为无坩埚区熔(FZ)单晶与有坩埚直拉(CZ)单晶。区熔单晶不受坩埚污染,纯度较高,适于生产电阻率高于20欧·厘米的N型硅单晶(包括中子嬗变掺杂单晶)和高阻 P型硅单晶。由于含氧量低,区熔单晶机械强度较差。

大量区熔单晶用于制造高压整流器、晶体闸流管、高压晶体管等器件。直接法易于获得大直径单晶,但纯度低于区熔单晶,适于生产20欧·厘米以下的硅单晶。由于含氧量高,直拉单晶机械强度较好。大量直拉单晶用于制造MOS集成电路、大功率晶体管等器件。外延片衬底单晶也用直拉法生产。硅单晶商品多制成抛光片,但对FZ单晶片与CZ单晶片须加以区别。外延片是在硅单晶片衬底(或尖晶石、蓝宝石等绝缘衬底)上外延生长硅单晶薄层而制成,大量用于制造双极型集成电路、高频晶体管、小功率晶体管等器件。

单晶硅的应用

单晶硅在太阳能电池中的应用,高纯的单晶硅是重要的半导体材料。在光伏技术和微小型半导体逆变器技术飞速发展的今天,利用硅单晶所生产的太阳能电池可以直接把太阳能转化为光能,实现了迈向绿色能源革命的开始。

二、金刚石

金刚石俗称“金刚钻”。也就是我们常说的钻石的原身,它是一种由碳元素组成的矿物,是碳元素的同素异形体。金刚石是自然界中天然存在的最坚硬的物质。金刚石的用途非常广泛,例如:工艺品、工业中的切割工具。石墨可以在高温、高压下形成人造金刚石。也是贵重宝石。

化学性质

金刚石是在地球深部高压、高温条件下形成的一种由碳元素组成的单质晶体,是指经过琢磨的金刚石。金刚石是无色正八面体晶体,其成分为纯碳,由碳原子以四价键链接,为目前已知自然存在最硬物质。由于金刚石中的C-C键很强,所有的价电子都参与了共价键的形成,没有自由电子,所以金刚石硬度非常大,熔点在华氏6900度,金刚石在纯氧中燃点为720~800℃,在空气中为850~1000℃,而且不导电。

结构性质

金刚石结构分为;等轴晶系四面六面体立方体与六方晶系钻石。

在钻石晶体中,碳原子按四面体成键方式互相连接,组成无限的三维骨架,是典型的原子晶体。每个碳原子都以SP3杂化轨道与另外4个碳原子形成共价键,构成正四面体。由于钻石中的C-C键很强,所以所有的价电子都参与了共价键的形成,没有自由电子,所以钻石不仅硬度大,熔点极高,而且不导电。在工业上,钻石主要用于制造钻探用的探头和磨削工具,形状完整的还用于制造手饰等高档装饰品,其价格十分昂贵。

结论:金刚石不能代替芯片的基体材料硅。



硅的性质,氧化二氧化硅,可作绝缘材料,单晶硅,渗其它元素后,形成极性,可外延可,气相叠加,可化学刻录图案,而金刚石,是碳,有以工能吗,如有气相叠加单晶硅,有可以作极性材料,一是散热率,二导电率。

第三代半导体离不开金刚石

不要再提 豫金刚石 啦,它已经被关啦

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