钻石以其硬度高、折射率高、光泽闪亮常被用作订婚戒指、项链、耳环等高档珠宝。“一颗恒久远,钻石永流传”的广告词更是深入人心。随着人们生活水平的提高,钻石首饰的消费需求逐年增长,中国已成为全球第二大钻石市场。
然而钻石除了外表的闪亮能用作饰品,还有更重要的特性:超宽禁带、高热导率、高电子迁移率以及出色的机械性能,是一种极具前景的新型半导体材料。如果使用钻石作为电脑CPU性能会突飞猛进的提升。
钻石具有超高热导率,现在的CPU都是硅基的,制程发展缓慢很大原因是散热。钻石的热导率约为铜、银的5倍,硅的13倍,能有效降低半导体器件运行时产生的热量,提升散热效率。
除此以外,钻石结构稳定,具有超宽禁带,电子迁移率高,可以承受更高的击穿电压,载流子饱和速度高,能在高频应用中保持高性能。化学性质稳定,耐酸碱和抗腐蚀。同时钻石也是自然界中最硬的材料,具有极高的机械强度和耐磨性。对辐射也具有极高的抵抗力。
这些特性使得钻石作为半导体在高频、高功率、高温电子器件,如5G通信、微波集成电路、传感器、量子计算以及电力电子领域具有广泛的应用前景。超宽禁带使其在高温下也能保持稳定的半导体性能,适合于极端环境下的应用。此外,钻石半导体在量子计算领域也显示出巨大潜力,钻石中的氮空位(NV)中心可以作为量子比特的物理载体,具有长的相干时间和操控精度。
可以说,钻石作为未来的半导体材料前景广阔,而我国恰恰是世界上最大的人工钻石生产国,全世界90%以上的钻石都来自于河南。
尽管钻石芯片具有显著优势,还是有不少制造问题,比如:
成本问题:钻石材料的成本相对较高,用首饰的价格加工成半导体,成品价格太高,目前只有部分厂商在高端芯片有尝试性开发,价格限制广泛应用。
加工难度:钻石的硬度大是优点也是缺点,缺点就是没有合适的切削钻石的材料,用激光会导致钻石碳化,加工难度大,需要特殊的技术和设备。
掺杂技术:钻石要做出半导体需要掺杂其他材质,掺杂技术尚未完全成熟,限制了其在半导体器件中的应用。
克服了这一系列技术和成本障碍,实现钻石半导体商业化和大规模应用,那时钻戒就不仅仅是王权富贵也不是珠宝吊坠,而是成为工业柱石,推动科技的变革。