比寶石還夯的閃耀鑽石

  • Physics Today
  • 撰文者:David Kramer (作者)、宋育徵 (譯者)
  • 發文日期:2023-05-24
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可以持續一生的植牙材料、能夠承受嚴苛輻射環境的機器人及粒子探測器、原子級的量子設備、可減少在電力傳輸中能量損失的75%的高壓轉換器。

這些是人造金剛石(鑽石)的一些尖端應用,而與價格高出許多的天然鑽石幾乎沒有區別的寶石就更不用說。自1950 年代以來,切割和研磨金剛石的工具無處不在。如今,金剛石薄膜已接近商業用途,可作為牙科、骨骼,以及其他外科植入物的塗層。

對於高溫、高功率和抗輻射的半導體,金剛石的使用相較於矽會有明顯的性能優勢。金剛石的導熱係數約為矽的20 倍。在同樣的表面積下,金剛石可以承載的電流是矽所能承載的5000 倍。而位於法國格勒諾布爾(Grenoble, France)的新興小型企業DiamFab 的首席技術長卡利· 德里奇(Khaled Driche)表示,在相同的厚度下,金剛石可以承受高於矽所能承受的30 倍電壓。
但金剛石電子產品會受到晶體可被製造的尺寸所限制。且根據金剛石製造商、用戶,以及研究金剛石材料的研究人員所說,金剛石還必須與已成為在高溫、高功率環境下替代矽的首選材料—碳化矽(silicon carbide)—競爭。

單晶金剛石和多晶(鑽石)金剛石在性質和應用方面差別很大,但電子產品(electronics)的應用通常需要的是單晶晶體。而多晶金剛石已應用於電力電子產品(power-electronics)上,如5G、衛星通訊、雷達,以及光纖數據通訊。在隸屬戴比爾斯集團(De Beers Group)的Element Six 公司裡的首席技術員Daniel Twitchen 說,它利用了材料的無源特性(passive property),例如卓越的導熱性以及寬頻帶的透明度。

合成金剛石的兩個主要技術是高壓高溫(high pressure and high temperature,HPHT)以及化學氣相沉積(chemical vapor deposition,CVD)。瑞典通用電機公司(Asea)註1 在1950 年代初期首次使用了高壓高溫技術,但直到1955 年奇異公司(General Electric)註2 才宣布了這一項發明。如今,像是鐵-鎳、鐵-鈷,以及鎳-錳等的金屬合金被用於催化金剛石的生長:於50 到60 億帕的壓力、攝氏1300 到1600度的溫度下,將石墨置於巨大的鐵砧上。

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圖一:蕭特基二極體裝置是由法國格勒諾布爾(Grenoble, France)的DiamFab 公司,在含有摻雜物的13毫米金剛石單晶晶圓上製造。


Twitchen 說,單個高壓高溫系統有機會在每小時生產多達一公斤的金剛石。該材料的高氮含量(約200 ppm)提高了其抗開裂性,在機械加工、磨削和切削的應用中提供了性能。

相較之下,化學氣相沉積技術通常是在高真空的空間內,於氫氣和甲烷等離子氣體中生長金剛石。碳原子一層一層地沉積在被稱為晶種的的金剛石基材上,這可由高壓高溫或化學氣相沉積技術中取得。磊晶成長(epitaxially grown)的金剛石保持晶種的單晶結構。

由化學氣相沉積技術生長一毫米的晶體需要花兩天的時間,密西根州立大學(Michigan State University)電子和計算機工程(electricaland computer-engineering)教授兼弗勞恩霍夫美國塗層和金剛石技術中心(Fraunhofer USA Center for Coatings and Diamond Technologies)前研發主任Timothy Grotjohn 說。2019 年,Grotjohn 創立了Great Lakes Crystal Technologies,這是一家半導體電子產品的金剛石基板生產商。該公司由多個聯邦機構授予的多項小型企業創新研發計畫(Small BusinessInnovation Research)資助下成立,但尚未進行商業銷售。

「這個產業截然不同的另一面是使用化學氣相沉積技術來生長寶石,」Grotjohn 說,「他們想要讓寶石生長至5 到6 毫米,如此就能切出1 到2 克拉的大小。他們將花上數百小時或幾週的時間。」他補充說,對半導體等級的要求會比對寶石的要求更為嚴格,因為即使鑽石中含有大量不希望在電子材料中出現的雜質,它依舊看起來很漂亮。

熱與輻射

除了減少雜質外,化學氣相沉積技術還提供了一種能控制其他添加到晶體中的元素的方法。最值得注意的是,硼和磷摻雜物賦予金剛石p 型和n 型半導體的特性。亞利桑那州立大學(Arizona State University)的物理學家羅伯特· 內馬尼奇(Robert Nemanich)對這項加工進行了十多年的研究,並為該機構申請了專利。

內馬尼奇說,金剛石能夠在攝氏500 度或更高的溫度下工作— 而矽的極限約為攝氏200 度—使含摻雜物的金剛石成為高溫電子設備的理想材料。這種情況會發生在像是測井和鑽井、飛機,以及電動汽車中。

內馬尼奇是Advent Diamond 的顧問,該公司是亞利桑那州的一家分公司,正在開發鑽石輻射探測器、電力電子設備、二極管和其他電子元件。公司的首席執行官Manpuneet Benipal 表示,這間公司已獲得七項由能源部和國防部在內的政府機構所頒發的小型企業創新研究獎,但尚未進行商業銷售。

金剛石能夠承受高輻射的環境。對於在被海嘯淹沒的福島第一核子反應爐(Fukushima Daiichi nuclear reactors)殘骸中量測中子通量(neutron flux)來說,這個性質至關重要。在那些殘骸中,安裝在小型遙控潛艇上的金剛石感應器探測了淹沒的汙泥。日本國家材料科學研究所(National Institute for Materials Science)寬帶隙半導體小組(WideBandgap Semiconductors Group)的負責人小泉智史(Satoshi Koizumi)說,該儀器能夠在由放射性銫(cesium)及鍶(strontium)的存在而引起的高γ− 射線背景輻射環境中區分出中子。

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圖二:Advent Diamond 是一間亞利桑那州立大學的衍生公司,它製造了這種用於監測X 射線的探測器零件。該公司已從多個聯邦機構獲得七項小型企業創新研究獎。


大型強子對撞機(Large Hadron Collider)中的金剛石輻射探測器藉由監測在超環面儀器(ATLAS)以及緊湊緲子線圈(CMS)中的背景輻射與光的亮度,為希格斯玻色子(Higgs boson)的發現做出了貢獻。內馬尼奇說,金剛石還可以替代以稀有氦3(helium-3,3He)為介質的中子探測器,這種探測器用於國家邊境以防止可裂材料(fissile materials)的走私。

氮-空缺量子設備(nitrogen-vacancy quantum devices)是單晶金剛石的一個不斷增長的市場。其應用包含了計算、磁力測定感應器、檢測器,以及密碼學。為了製備氮-空缺設備,在化學氣相沉積的過程中將氮氣添加到成分中。Grotjohn 說,通常情況下,電子束的照射會置換一些碳原子,從而在晶格中留下空位。之後,高溫退火(annealing)迫使這些空位到緊鄰氮原子的位置。

DiamFab 是由空中巴士(Airbus)主導製造油電混合動力飛機(hybrid aircraft)計畫的一部份,油電混合動力飛機的其中一個引擎完全是藉由電力運作,而另一個則是傳統渦輪。德里奇說,其中一個零件將會是由金剛石電晶體(transistors)製成的功率轉換器。

德里奇說,用金剛石零件代替客機中使用的所有矽電力電子設備可以減輕1800 公斤的重量。這種減輕是有可能的,因為金剛石設備不需要散熱器,該散熱器佔據了以矽為基礎的飛機電壓轉換器中,所有重量與體積的80%。

金剛石電極應用於電化學,例如銷毀在石油、天然氣,以及製藥產業的化學過程中產生的有機副廢物。它們還應用於過濾化學物質的淨水器中所使用的臭氧產生系統,這些系統由Siemens、Condias,以及DiaCCon 等公司製造。

越大越好

Twitchen 說,目前可取得的合成單晶尺寸(通常高達10 毫米)已足以應用於光譜學、拉曼雷射,以及粒子檢測器中。受益於金剛石活性特性的設備—例如:磁場感應,或充當開關或電晶體—大多仍處於研發階段。

有一件事似乎很清楚:要在半導體中廣泛使用金剛石,將需要至少50 毫米的更大尺寸單晶圓(single-crystal-wafer)。這遠遠超出了當今最先進的技術水平,有些甚至不到25 毫米(1 英吋)。「我們距離能在商業基礎上製造晶體方位均勻的1 英吋基板還差得遠,」生產化學氣相沉積技術金剛石合成機的Seki Diamond Systems 美國代表Philippe Bergonzo 說。

Twitchen 說,沒有甚麼基礎研究上的障礙可以阻止更大的晶圓尺寸。「這裡的關鍵問題是,需要這項技術的市場是否會支持擴大規模所需的工程成本。」

德里奇說,要在非利基(nonniche)應用中與矽競爭,將會需要至少有200 毫米大的晶圓。但他說,某家公司告訴他,如果有150 毫米晶圓可用,他們便可用它來製造射頻設備(RF device)和次世代6G 手機。

然而,即使有人製造了一顆50 毫米的高純度單晶金剛石,並將其複製、銷售,該生產商也會將他們的獨佔權拱手讓給買家,因買家可以用它來生長相同尺寸的金剛石。Bergonzo 說,第一位製造的人不太可能獲得該過程的智慧財產權,因為自然界中可能存在類似尺寸的單晶。

身為格勒諾布爾-阿爾卑斯大學(University of Grenoble Alpes)教授兼Néel Institut 研究員的Etienne Gheeraert,主持了一個由歐盟資助,名為GreenDiamond 的計畫,開發了一種以金剛石為基礎的高電壓轉換器用於輸送海上風力發電廠所產生的電力。隨著可再生能源產生的電可以被遠距離輸送到消費者手中,這些轉換器預計將變得越來越重要。現有以矽為基礎的電子設備在轉換過程中會損失多達9% 的能量。雖然Gheeraert 的計畫表明大型發電站的金剛石電壓轉換器可以將這些損耗降低至2%,但他說工作設備將需要50 毫米的單晶圓。

Gheeraert 預計在2030 年時,可由化學氣相沉積與高壓高溫技術生產50 毫米的金剛石晶圓,但每片晶圓的成本為一萬美金。他參與了一項開發一種替代生產方式的計畫,該計畫由位在薩克雷(Saclay)的法國原子能和替代能源委員會(French Alternative Energies and AtomicEnergy Commission)所贊助。他說,這種被稱為Mosaic + Smart Cut的生產方式可將成本降低到一千美金。在該過程中,化學氣相沉積產生的單晶晶圓將被水平切割成多個晶片。那些新的晶種將被相互緊鄰成一個馬賽克圖案,而單個晶圓將生長於這個馬賽克之上。他說,75毫米或更大的晶圓應該是可以實現的。雖然這些晶圓不會是單晶,但Gheeraert 說半導體設計師可以在「壞區(dead zones)」—與基板晶體之間的空間相對應—周圍進行工作。

用於矽的Smart Cut 技術是由法國的Soitec 公司所開發, 而用於金剛石的類似技術則是由位於日本的EDP 公司將其商業化。Bergonzo—他的EDP 子公司分布於全球各地—說,這項複製方法用於大量生產金剛石,作為晶種和基板出售。如果給EDP 一個沒有雜質且晶向相同的50 毫米單晶,它肯定能將其複製出來。「這將是金剛石成為電子材料大市場的最大突破,」他說。「但是誰會給EDP 提供這樣的主要基質?即使他存在,他們會以什麼樣的價格出售它呢?」

儘管如此,Twitchen 說,開發金剛石設備的技術不僅需要金剛石材料本身的進步,還需要電接頭和製造過程的進步。而對於電壓轉換器等的應用,金剛石將難以取代被廣泛使用的碳化矽(siliconcarbide),碳化矽已經提供了高效率。「碳化矽在一系列行業中取得的成就表明了新半導體材料的重要性,而人們對於金剛石在為來十到二十年間可能發揮的作用越來越感興趣,」Twitchen 說。

一個不一樣的方法

德國奧格斯堡大學(University of Augsburg)的物理學家馬蒂亞斯·施雷克(Matthias Schreck)與他人共同創立了Audiatec 公司,該公司銷售的金剛石是採用一種新方法生產的:在異質外延(heteroepitaxial)(非金剛石)的銥基質上,離子轟擊(ion-bombardment)1 奈米厚的碳層。該公司銷售的金剛石,可用於切割工具、外科手術刀、紅外線光學器件,以及光學視窗。

Audiatec 已經生長出大至92 毫米、155 克拉(圖三)的單晶。其他的潛在用途,施雷克說,是在中子檢測中作為氮-空缺及其他量子色彩中心(quantum color centers),以及在蕭特基二極體(Schottky diodes)上。他補充道,儘管如此,該公司仍在繼續努力匹配在化學氣相沉積法中,以金剛石為基質製成的晶體中所發現的晶體均勻性。

多晶金剛石一般用於鍍膜。足夠小且含有摻雜物的多晶晶粒(三到五奈米)可以導電, 德州大學達拉斯分校(University of Texas atDallas)的物理學家奧蘭多· 奧謝洛(Orlando Auciello)說。他與其他人共同開發了「奈米微晶鑽石(ultranano crystalline diamond)」,這個詞已被他登記為商標。該材料的低摩擦係數、高耐磨性,以及生物相容性使其能應用於藥物生產和其他領域中的幫浦封口及軸承。

奧謝洛的初創公司Original Biomedical Implants 目前正在墨西哥進行金剛石塗層植牙材料的臨床試驗。他說,由於金剛石的化學惰性,植入物應該比當今廣泛使用但易腐蝕的鈦鋁釩合金更耐用。其他的潛在應用,還包含了用於鋰離子電池的金剛石塗層陽極—奧謝洛表示這將延長手機的運作時間、防止血液凝固的親水性支架,以及提供更好的耐磨性和生物相容性的關節植入物等。

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圖三:一枚立體鑽石戒指(圖左)由位於荷蘭克伊克(Cujik, the Netherlands)的Dutch Diamond Group 從德國奧格斯堡(Augsburg, Germany)的Audiatec 種植的鑽石晶體切割而成。該晶體的大小相似於與92 毫米、155 克拉的石頭(圖右),Audiatec 將離子轟擊在置於銥基質上的1 奈米厚的碳上而產生這塊石頭。

本文感謝Physics Today(American Institute of Physics)同意物理雙月刊進行中文翻譯並授權刊登。原文刊登並收錄於Physics Today 2022 雜誌內(Physics Today 75, 3, 22(2022); https://doi.org/10.1063/PT.3.4958)。原文作者:David Kramer。中文編譯:宋育徴,國立中央大學物理系助理。

Physics Bimonthly (The Physics Society of Taiwan) appreciates that Physics Today (American Institute of Physics)  authorizes Physics Bimonthly to translate and reprint in Mandarin. David Kramer contributed to the article published in (Physics Today 75, 3, 22 (2022) ; https://doi.org/10.1063/PT.3.4958). The article in Mandarin is translated and edited by Y. C Sung, working at the Department of Physics, National Central University.