価格は80％下落した。河南省の人々は、誰もが購入しやすいように、これほど多くのダイヤモンドを製造しているのでしょうか?

編集者注:

マリリン・モンローはかつてこう言いました。「ダイヤモンドは女の子の親友よ。」しかし、この良き友人の価格は最近急落しました。 1カラットの養殖ダイヤモンドの価格はピーク時に比べて80％以上下落した。望むなら、もっとたくさんの、もっと大切な良い友達を持つこともできます。

中国は養殖ダイヤモンド（人工ダイヤモンドとも呼ばれる）の主要生産国です。 2023年にはダイヤモンド原石の生産量が2200万カラットを超え、世界総量の70％以上を占め、中国の生産能力の80％は河南省にあります。では、なぜ河南省の人々はこれほど多くの人工ダイヤモンドを「栽培」するのでしょうか?誰もがそれを買えるようにしたいですか?

「ダイヤモンドを買う価値はまだあるか？」という議論の中で、かなり突飛な考え方をしているコメントが 1 つありました。

ダイヤモンドと半導体の関係は何ですか?

ダイヤモンド（宝石業界ではダイヤモンドの大きな粒の名称）は、実は産業界においては「素材の王様」です。ダイヤモンドは光学機器、切削工具、さらには宇宙船にも使われています。半導体業界（携帯電話のチップを含む）に関しては、ムーアの法則の終焉後の将来の希望です。

今日はダイヤモンド半導体についてお話します。

ダイヤモンド（写真提供：veer gallery）

パート1有色人工ダイヤモンドの製造は半導体の製造に使われる

これは、非常に小さな粒子しか生成できず、旋盤工具、ドリルビット、またはサンドペーパーにしか使用できない従来の人工ダイヤモンドとは異なります。近年、さまざまなジュエリー展示会の人工ダイヤモンドブースには、色とりどりのダイヤモンドが並びます。これはなぜでしょうか?

たとえば、下の写真にあるさまざまな本物のカラーダイヤモンドは、ダイヤモンドは無色で純粋であるという人々の印象を完全に覆します。

中国北方工業集団公司玉溪集団中南ダイヤモンド有限公司が製造したカラーダイヤモンド（写真提供：Weibo @兵工之声）

それで、その理由は何でしょうか?これらの白色または有色の人工ダイヤモンドは、人工ダイヤモンド製造実験の副産物とも言えるため、リサイクルのために取り出され、開発投資の一部を回収するために宝飾業界に販売されています。もちろん、必要数量が多ければ、特別な色のダイヤモンドのオーダーメイドも受け付けてくれると思います。では、なぜこれらのユニットはこれほど多くの異なる種類の廃棄物を生成し、その粒子がこれほど大きく見えるのでしょうか?

答えはすべてこの表にあります。

すべてはシリコン半導体に勝る炭素半導体材料、ダイヤモンド半導体のために。

シリコンとダイヤモンドはどちらもこの四面体結晶構造を持っています。

（写真提供：veerフォトギャラリー）

炭素はIV族元素であるため、半導体になる能力も持っています。シリコン結晶と同じ四面体原子構造を持つダイヤモンドは、半導体における理論的可能性を秘めており、「パワー半導体の聖杯」として知られています。非常に高い熱伝導率、より大きな破壊電界強度、より高い移動度、およびより小さな原子サイズのすべては、ダイヤモンド半導体が非常に明るい未来を持っていることを示しています。

Part.2ダイヤモンドを十分に大きくするにはどうすればいいでしょうか?

見通しがあるからといって問題がないということではありません。ダイヤモンド半導体が直面している基本的な問題は、最も基本的な材料科学の問題であり、感傷や象徴性を必要としない難しい技術的問題です。 「自然」、「希少」、「美しい」ものはすべて、「パフォーマンス」に取って代わられなければなりません。

最初の障害は、処理に十分な大きさの純粋な単結晶ブロックを入手できるかどうかです。読者はまず、自分のパソコンや携帯電話の CPU を取り出してチップのサイズを確認し、次にカラットのダイヤモンドの指輪を見つけてサイズを概念的に比較することができます。したがって、これらの小さな宝石グレードのカラットのダイヤモンドは、ダイヤモンドチップを作るのに十分ではありません。したがって、ダイヤモンド半導体産業の基盤を築くために、少量の天然ダイヤモンドに頼ることは不可能です。代わりに、私たちは人工合成ダイヤモンドの技術ツリーを開拓するために一生懸命努力しなければなりません。

天然ダイヤモンドの小片。これらはふるいにかけられた大きな粒子です（画像提供：Veer Gallery）

爆破法

天然ダイヤモンドの炭素四面体ネットワーク構造は、地球深部の高温高圧条件下で形成されるため、業界ではこの高温高圧状態をシミュレートして人工ダイヤモンドを合成する試みがなされてきました。最初の方法は非常に単純かつ大雑把なものでした。BOOM!そうです、高エネルギー爆薬の爆発の瞬間に形成される高温高圧状態を利用して、グラファイト内の炭素が触媒の作用で相変化を起こし、ダイヤモンドが得られるのです。

ブーム！ブーム！ブーム！ （写真提供：veerフォトギャラリー）

爆発物の連続的な砲撃により、確かに大量の人工ダイヤモンドが採取されました。大きさが小さすぎて宝石グレードに達しておらず、ダイヤモンドと呼ぶことができないことは、文面から誰でも分かります。デトネーション法で製造される人工ダイヤモンドは一般に粒子が細かく、宝石と呼ぶことはできません。これらはドリルビットのインレイ、または研磨剤としてのみ使用できます。そのため、爆発法は工業用ダイヤモンド技術の幹から消えていきました。

家庭用ヒンジ付き六面プレス機（写真提供：Guanchazhe.com）

高圧法

もう一つの方法は、機械式トッププレスを使用して高圧を実現し、その後電気加熱を使用して高温を形成することです。高温高圧環境下での触媒相変化により、炭素元素がダイヤモンドに変換されます。これは人工ダイヤモンドを製造する主流の技術でもあります。

また、天然ダイヤモンドと比較すると、プレス法で生産される人工ダイヤモンドのサイズは当初からかなり大きいものでした。約10年前に中国市場に投入された人工ダイヤモンドのサイズは0.5カラットから始まり、最大3カラットにまで達することもある。プレス機で押し出されたダイヤモンドは、超硬質切削工具などの製造に有効活用できます。初期の頃、外国企業が生産した人工ダイヤモンドの生産コストは、天然ダイヤモンドの約60％でした。我が国が独自に開発した六面トッププレス技術の支援により、国産人工ダイヤモンドのコストは世界最低となり、生産量は世界の90％以上に達しました。宝石業界で「人工ダイヤモンドは良くない」という議論は、安価で高品質な国産人工ダイヤモンドが大量に流通していることに向けられていると言っても過言ではないでしょう。

高温高圧下でグラファイトがダイヤモンドに変化するメカニズム（画像提供：Guancha.com）

CVD（化学蒸着）成長法

爆発法にも欠点がある。高エネルギー爆薬に含まれる窒素がダイヤモンドに添加され、ダイヤモンドの色が黄色っぽくなり、宝石市場で不人気となっている。もちろん、ドリルビットや精密加工工具では、刃先や先端のダイヤモンドが白色でも黄色でも問題ありませんが、チップに使用する場合は窒素基準を超えることは認められません。同様に、プレス機の製造によってダイヤモンドに窒素がさらに多く取り込まれることになり、製造されるサイズは大型ディスクを得るのに適さないため、これも半導体処理には適しません。

現在のダイヤモンド半導体技術ツリーはCVD成長法に移行しています。基本的な概念は、プレスを使用して生成されたダイヤモンド基板に炭素原子を直接堆積させることにより、ダイヤモンド片を「成長」させることです。 CVDの原料ガスはメタンガスまたはアセチレンガスです。分解後、炭素原子が基板上に堆積し、結果として得られるダイヤモンド材料は非常に純粋になります。不純物がほとんどない完全に透明な純粋なダイヤモンドが得られ、半導体産業の生産における高純度ダイヤモンド材料の要件を満たすことができます。ジュエリーに関しては、言うまでもありません。

中国科学院寧波材料研究所が製造した人工ダイヤモンド（写真提供：著者撮影）

半導体製造に適したもう 1 つの点は、CVD によってダイヤモンドが薄膜から薄片、厚片、バルクまで製造されることです。生産ニーズに合わせてカスタマイズできるため、天然ダイヤモンド原石の不規則な粒子の悩みを解消します。製品のサイズについてですが、現在、世界ではインチを超えるダイヤモンドウエハーの製造を実現している企業が複数あります。先ほど切り出したメンズ腕時計の文字盤やCPUの大きさを参考にすると、チップを切るには1インチのウエハーの大きさで十分です。

現時点では、製造されたダイヤモンドスライスは半導体製造に直接使用することはできませんが、チップ基板材料として半導体業界で実際に使用できます。その表の熱伝導率データを覚えていますか?ダイヤモンドの熱伝導率はシリコンの10倍以上で、あまり使いたくない高級サーマルグリースに含まれる銀よりも優れた、最もよく知られた放熱材料です。チップ基板としてこのような優れた熱伝導性材料を使用することは、オーバークロックプレイヤーにとって大きな恩恵です。銀含有シリコングリース、ヒートパイプ水冷、液体窒素を使用するか、あるいは液体金属を使用するリスクを冒すかに関わらず、チップ内の熱をできるだけ早く放散することがすべてではないでしょうか?チップ自体の放熱能力が大幅に強化され、特に局所的な過熱に耐える能力が向上し、チップの許容電力制限が大幅に増加します。これは、CPU/GPU コンピューティングに使用する場合でも、AESE の T/R モジュールに使用する場合でも、間違いなく非常に良いニュースです。

Part.3純粋なダイヤモンドを作りたくないですか？

ダイヤモンドを半導体に使用する場合、2 番目の問題、ドーピングに直面します。

シリコンを半導体に使用する場合は、P 型および N 型の材料を得るためにドーピングする必要があります。同じく第 IV 族元素である炭素結晶が例外になるのはなぜでしょうか?ダイヤモンド半導体の P 型ドーピングは N 型ドーピングと同様に必要です。現在、P 型ドーピングには比較的成熟したプロセスがいくつかあり、それらを使用してダイヤモンドにホウ素を注入またはドーピングし、P 型半導体チップ材料を得ることができます。しかし、現在の障害は、N 型半導体材料を得るためのドーピングです。 N型ドーピングの問題が解決されれば、ダイヤモンド半導体の技術ツリーが開かれる瞬間が来るでしょう。

ドーピングに関しては、当然ながらさまざまな実験が不可欠です。さまざまな理論から、研究者が試みたN型ドーピングの方法は主に、窒素ドーピング、リンドーピング、リチウムまたはナトリウムドーピング、酸素または硫黄ドーピング、およびその他の元素ドーピング（カリウム、マグネシウム、ベリリウム、ヒ素などの元素）であり、もちろん共ドーピングは不可欠です。また、CVD 中に追加したり、再注入したり、基板から拡散させたりといったドーピングをどのように実施するのでしょうか? 。この一連の計画書を見るだけでも目が回りそうですが、かわいそうな実験犬たちは言うまでもありません...

しかし、賢明な読者は、製造、ドーピング、処理のプロセスの違いがダイヤモンドの全体的な色に間違いなく影響を与えると考えたに違いありません。したがって、膨大な数の失敗した実験の中から、N 型半導体材料の入手に執着しなければ、ジュエリーグレードのダイヤモンドの製造に安定した美しい色を持ついくつかのソリューションを自然に選択することができます。このため、国内の奇妙な人工ダイヤモンド会社は、天然の希少カラーダイヤモンドを多く扱っており、ダイヤモンドは大きく、傷がなく、透明度が高く、色が均一で、何よりも安価です。

第4部結論

ダイヤモンドは、その極めて広いバンドギャップ（5.45eV）に加え、放射線損傷に対する高い感度や低い暗電流などの利点により、現在では極限環境（原子炉、トカマク、レーザー核融合実験、宇宙など）で動作する粒子検出器や放射線検出器の材料となっています。

自分自身を解放して、このように未来を想像してみましょう。

人A：「私の大きなダイヤモンドの指輪を見てください！」

B は微笑んで、超小型シングルカメラを手に取りました。「画面が見えますか? ダイヤモンドでできていますよ!」

レンズを外すと、「フルフレームセンサーが見えますか？ダイヤモンドです！」

それから彼はカメラを持ち上げました。「レンズが見えますか？ダイヤモンドでできていますよ！」

はい、ダイヤモンドの屈折率も光学ガラスよりもはるかに高いです...

最後に、すべての読者にアドバイスを一つ。

有名な宝飾デザイナーのシュルンベルジェは、ダイヤモンドには人間味がないと考えており、富を示すためにダイヤモンドを使うことを常に避けてきた。「襟にチェックマークを付けたほうがよい」

ダイヤモンドを購入する前に、この文章について考えてください。

出典：サイエンス研究所