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。
回答这个问题，必须弄清三方面问题：
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：
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。
第三代半导体离不开金刚石
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。
未来碳基芯片有可能替代硅基芯片。
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！
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。
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。
不要再提 豫金刚石 啦，它已经被关啦
中打破了摩尔定律，在新的半导体研究领域取得了巨大的突破。利用一种新的超薄电极材料，实现了二维半导体电子与逻辑电路的自由控制。此外，南洋理工大学、北京大学、南京大学等高校的科研队伍，也在二维半导体的整合与成长上取得了突破性进展。
中国的本土企业也在努力地积累和研究相关的技术，这些技术将会在将来获益。首先，我们要说的是，摩尔定律是什么，为什么它会对半导体产生如此大的影响。戈登·摩尔，英特尔的共同创始人，提出了著名的摩尔定律：每18到24个月，集成电路上的元件数目就会翻一番，而其性能也会翻一番。这就意味着，在每一块硅片上，晶体管的体积会变得更小，也会变得更多。但是今天，一块指甲盖大小的晶体管可以容纳一百亿个，而硅晶体管也已经接近了它的物理极限。摩尔定律的继续，要求新的材料，新的装置。
目前，人们对二维半导体的前景非常看好，因为传统的硅片晶体是以三维块状半导体为基础，使得电子难以透过纳米尺寸的通道。然而，由于二维材料的存在，使得晶体管的体积变得更小，变成了一种更容易让电荷在其中自由流动的超薄晶体管。
由光敏材料及器件研究中心的黄博士、物理学院的李金龙教授带领的一个研究团队，成功地利用了一种新型的超薄电极材料（Cl-SnSe2)，实现了二维半导体电子及逻辑电路的自由控制。
该研究成功地解决了费米能级钉扎问题，使得传统的二维半导体器件难以完成互补逻辑电路，只显示 N型或 P型器件的性能。利用这种新的电极材料，可以实现 N型、 P型的功能，从而形成一种高性能、低功耗、互补逻辑的逻辑电路。
黄教授预测，这种新型的二维电极材料将会是很薄的，具有很高的透明度和d性。所以，他们可以应用到下一代的可弯曲的、透明的半导体装置上。南洋理工大学，北京大学，清华大学和北京量子资讯 科技 研究院的研究者们，近期展示了一种将单晶体滴定在二维半导体上的方法，即高 K钙钛矿的一种氧化物。该技术将为新的晶体管和电子器件的发展提供新的可能。
报告中提及了一种叫做“一种钙钛矿”的单晶滴定锶，以前人们已经发现，用一种具有不同的原子结构的钙钛矿氧化物难以实现。但是，这个研究小组使用了一种聪明的方法，它能够超越这个极限，使材料的组合几乎是无限的。
研究者称，他们发明的晶体管可以用来制作互补的 MOS电路，同时也可以降低功率消耗。在将来，这些装置将会被大量生产，用以研发低功率的逻辑和微型晶片。前不久，王欣然教授和南京大学王金兰教授的研究小组共同宣布，世界上第一个大规模、均匀的二层二硫化钼，这是目前已知的最好的二维半导体材料之一，薄膜的外延生长。
东南大学教授马亮说：“我们的研究成果，不但打破了二硫化钼薄膜的层数可控生长技术瓶颈，开发出了性能最高的二硫化钼膜器件，并将其应用到其它二维材料的外延上，为以后的硅半导体器件的发展开辟了新的思路。”
在二硫化钼的研究中，二硫化钼的载流子迁移率和驱动电流都比单层二硫化钼高，在电子设备的应用中占有很大的优势。然而，采用常规方法制备的二硫化钼双层膜存在着层数均匀性差、膜不连续性等问题，研究小组提出了一种新型的基板诱导成核和“齐头并进”的新型生长机理。
值得一提的是，芯片制造商们，也在积极地进行着新的研究。英特尔与台积电将于2021年12月举行的 IEEE国际电子装置大会上，为解决二维半导体高阻、低电流问题提供了解决办法。在半导体与金属的接触处，存在着锋利的电阻尖，这是目前二维半导体面临的最大阻碍。
台积电与英特尔公司采用了半金属锑作为接触材料，以减少半导体与触头间的能量壁垒，以达到低阻性。从2019年起，台积电一直在寻求一种可以替代硅的二维材料。台积电在今年五月率先宣称，他们已经找到了半金属铋可以在很低的电阻下，成为二维半导体的粘结剂。但是铋的熔点太低，不能承受后续的晶片高温处理。
南京大学电子工程学院王欣然博士团队，着眼于中国国内市场的发展，在2021年九月，天马微电子（深天马）与天马公司的合作，为今后 Micro LED技术的发展开辟了一条崭新的技术路径。
芯片早已经成为日常生活中不可替代的产品，任何的电子设备都会用上芯片。全球每年对芯片的需求都在几亿，几十亿颗以上。不过传统的芯片工艺几乎都是一致的，基于硅基材料生产芯片。
芯片的基础材料是硅，而硅的来源是在一堆沙子中不断提取纯度为99.99999%的硅。再将硅打磨成硅片，制成晶圆，最终经过上千道的工序形成芯片。而这一切的基础都是硅，因此市面上的芯片也被统称为硅基芯片。
然而硅基芯片也面临一个问题，那就是物理极限的限制。
随着芯片制程的不断突破，已经在向4nm，3nm甚至更先进的1nm发起 探索 ，但物理极限终会成为一道束缚。到时候硅基芯片到达尽头，可能人类 科技 也会陷入迟缓。
因此探究新工艺，新材料成为备受瞩目的热门话题。但真的有可能在硅基芯片之外取得新材料的突破吗？答案是有可能。
一则好消息传来，中国企业英诺赛科（苏州）半导体有限公司实现巨大突破，在硅基氮化镓材料上完成量产。英诺赛科已经建立起8英寸硅基氮化镓量产生产线，这也意味着不仅取得了新材料的攻克，而且进入到了量产阶段。
根据资料显示，硅基氮化镓芯片量产生产线建成之后，可实现年产值100亿，年产能也可以达到78万片硅基氮化镓芯片晶圆。
这是世界上首座氮化镓芯片量产项目，在中企的攻克下，对国产芯片的发展都会带来巨大的意义。
现如今业内正不断 探索 传统硅基芯片之外的新材料，新工艺。此前中科院研究的8英寸石墨烯晶圆就在半导体领域取得了显著进步，由于未实现量产，因此石墨烯制成的碳基芯片还处在研究阶段。
但氮化镓芯片则不同，英诺赛科已经立项建设生产线，将氮化镓推广量产。那么氮化镓能取得硅基芯片吗？性能表现又如何呢？
氮化镓属于第三代半导体材料，和硅不同的是，氮化镓无法靠自然界形成，必须要靠人工合成。其优势对比硅材料是很明显的，由氮化镓制成的器件，功率是硅的900倍。禁带宽带比硅高出3倍左右。击穿场强也高于硅11倍。
除此之外，氮化镓还有散热高，体积小，损耗小的优点。如果能够对氮化镓加以开发，取代硅基芯片是没有问题的。充电器，元器件等等部件，都能用上氮化镓。
硅基芯片统治了芯片界几十年，而研制出硅材料并掌握专利技术的是美国人。所以只要用上硅基芯片，不管有多少技术是自研的，从根源上就很难绕开美国技术。
并且摩尔定律即将到达极限已经是业内公认的事实，只不过是时间问题。当集成电路可容纳晶体管无法进一步提升时，那么就将迎来后摩尔时代的新挑战。也就是新材料，新工艺。
有的芯片企业重点研究封装，而有的则在 探索 芯片新材料。而中国要面临的后摩尔时代挑战在于产业链太宽，太长。大而不强是一个需要解决的问题，把产业链提升上去以后，才能顺利迎接挑战。
同时光刻机、光刻胶、芯片制程工艺等等，都还有很长的路要走。所以总的来说，中企能够攻克新材料，只是做好了迎接挑战的准备，真正的挑战还在后头。
美国掌握大量的芯片技术，所以2020年对中企实施芯片规则时，几乎没有一家企业能够逾越美国技术向中企攻克。这也让我们意识到，必须从根本上解决技术难题。
英诺赛科的氮化镓芯片或许只是迈出的第一步，想要改变整个芯片市场格局并非易事。所以期待能有更多的技术取得突破，到时候面对挑战，也能巍然矗立。
对英诺赛科的新材料突破你有什么看法呢？
欢迎分享，转载请注明来源：内存溢出
微信扫一扫
支付宝扫一扫
评论列表（0条）