記者 李珺綺、向時薇、貝安娜／採訪報導
現今半導體技術快速演進，鑽石不再只是珠寶，而是成為產業尋求突破的新材料。人工鑽石具備高導熱性、高硬度與耐高壓等特性，被視為解決晶片散熱與性能瓶頸的可能方案。儘管人工鑽石展現出強大的性能優勢，但量產能力、製程整合及成本仍是挑戰。這場以鑽石為核心的材料競賽，正逐步改變半導體的未來。
材質特性 符合需求
半導體技術不斷進步，但晶片散熱與耐壓問題也逐漸浮現，促使各界尋找新材料，人工鑽石因而受到關注。對此趨勢，小資理財存股Youtuber楊博凱說明，人工鑽石是科學家在實驗室中模擬天然鑽石高溫高壓的生長環境，使碳原子重新排列，形成具高硬度與高導熱性的鑽石，而此特性正好滿足半導體對新材料的需求。
台灣聯合寶石鑑定教學中心所長林書弘書面回覆表示，人工鑽石最早可追溯至1950年代，美國通用電氣公司（GE）利用高壓高溫法生產出第一批經科學驗證確認的合成工業級鑽石，而此鑽石適合在工業界做超硬材料使用。
隨著人工鑽石逐漸在業界受關注，因其與天然鑽石的特性有差別，所以分辨兩者成為工業應用的重要課題。楊博凱表示，兩者在外觀上幾乎無異，所以需要透過科學儀器去檢測，查看它的結構差異才能辨別。
合成方式 兩大製程
人工鑽石主要透過兩大製程形成，第一種是高壓高溫法（HPHT），第二種是化學氣相沉積法（CVD）。美國Upsuns Diamond Inc創始人顏志學說明，HPHT的設備體積龐大，實際能生成的鑽石面積有限，一顆鑽石僅約手掌心大小一至兩英吋。而在製程過程中，為了讓碳原子在高溫條件下按鑽石的晶格排列，並避免與氧氣等氣體反應生成其他物質，會採用抽真空。但HPHT的製程環境未抽真空，所以生成的晶體雜質較多，純度有限，若放大產品尺寸，單位成本將會大幅增加。反之，CVD的製程操作相對簡單，且在真空條件下進行，有助於降低雜質，使鑽石純度更高、品質更穩定。
宏崴實業有限公司總經理朱宏宥指出，CVD的技術門檻主要在晶種選擇與生長參數的設定，而生長速度取決於是否要生成單晶或多晶，完成時間約略在一週到三週。不同於HPHT，CVD能製作更大面積的鑽石薄膜，簡單來說，鑽石薄膜為人工鑽石製成的且厚度很薄的一層膜狀材料，目前最大可達近十二英吋。由於具備高純度與大尺寸的特性，目前人工鑽石是以CVD生產為主。
|
單晶：內部的原子在三維空間中有規律且周期性地排列，晶體結構連續統一，物理性質會隨原子排列方向而改變（各向異性）。 多晶：由許多小晶粒組成，每個晶粒內的原子排列有序，但晶粒之間方向不一致，使整體性質較均勻（各向同性）。
|
縮短時間 降低成本
關於台灣人工鑽石晶片技術的發展，朱宏宥表示，早在 1990 至 2000 年間，工研院及部分學校便已展開研究。顏志學補充，二三十年前，台灣已是全球前三大的CVD研發中心，僅次於美國與日本。早期主要生產多晶片、奈米鑽石和石墨烯，而它們因無法滿足晶片對材料穩定性與可控性的要求，所以無法作為晶片使用。他分享，人工鑽石應用於晶片的起步，應在2005年他與高壓科學權威的博士毛河光在台灣發表的相關研究，正式讓人工鑽石在晶片上的研究在台灣受到重視。
而最大的技術突破點發生於2003至2005年，朱宏宥說明，毛河光與顏志學在卡內基的實驗室發現快速生長鑽石的方法。此法就是把鑽石成長速率提高近百倍，所以生成兩到三克拉的鑽石，可從一至兩年的時間縮短到約一至兩週，每小時生長可達0.5至10微米不等。顏志學補充，因成長速率很快，所以成本也降至天然鑽石的十分之一甚至更低。此突破為人工鑽石在半導體晶片奠定基礎，也成為台灣CVD技術的重要里程碑。
高散熱優勢 提升運行效率
朱宏宥說明，隨著 AI 運算、資料中心與電動車等領域發展，高功率元件的需求持續攀升，晶片散熱已經成為半導體性能提升的主要瓶頸。常見半導體材料有矽、鍺 、碳化矽及氮化鎵等，在高頻、高功耗運作下容易累積熱量，引發晶片降頻甚至當機。
顏志學指出，矽的導熱係數僅約 149 W/mK，人工鑽石的導熱係數可達 2000 W/mK 左右，是矽的十倍以上，亦大幅高於其他高導熱材料。朱宏宥以生活化的比喻解釋，將鑽石貼於晶片上，就好比將散熱貼黏於身體，能迅速分散熱量、降低溫度。同時也能減少對風扇等額外設備的依賴，讓裝置運行更穩定。
在材料特性上，顏志學說明，鑽石作為超寬能隙材料，除了有承受極高導熱率，也具備經受高電壓、高頻及高溫耐受等特性。尤其適用於高功率充電、電動車及雷射模組等領域。顏志學表示，鑽石晶片在極端環境下的應用潛力遠高於傳統矽和碳化矽材料，為最終端的半導體材料。
除了物理特性外，人工鑽石製程的可控性也是其重要優勢。朱宏宥指出，天然鑽石因生成環境複雜，雜質及尺寸差異大，難以穩定量產；人工鑽石則可精準控制厚度、純度與晶格缺陷，確保每片晶片性能一致。他指出，這種穩定性不僅提升散熱效果，也延長晶片使用壽命，在極端環境下仍能維持高效運作。
抗極端環境 應用層面廣泛
人工鑽石晶片的應用正從實驗室走向實際產品。顏志學指出，極端環境、高頻高功率元件與量子電腦系統，是目前最具潛力的使用場景。
中央大學太空科學與工程學系教授趙吉光舉例，在太空任務中，寬頻衛星搭載的通訊載荷，其設計面臨的核心挑戰在散熱與耐高溫能力。矽基元件耐溫約150至200度，氮化鎵約250度，而鑽石基元件可達300度以上，更能承受衛星通訊放大器的熱負荷。低軌衛星日夜溫差劇烈，一般半導體材料容易因熱循環老化，但鑽石材料能維持穩定特性，且具備強抗輻射能力，特別適用於通訊載荷、電源管理以及高電壓模組等太空設備。
朱宏宥補充，人工鑽石在量子電腦領域同樣具潛力。傳統量子電腦必須在極低溫環境下運作，以維持量子態的穩定性，因此裝置體積龐大、能耗高，且冷卻系統成本昂貴。人工鑽石晶片則可在室溫維持量子特性，意味著量子運算裝置未來有可能大幅縮小體積，降低冷卻與運行成本，推進量子技術商用化。
然而人工鑽石晶片的商業化仍面臨瓶頸。顏志學指出，目前大面積單晶製程技術尚不成熟，現階段鑽石尺寸多為指甲大小，即使可拼接至手掌大小，因接合界面可能影響性能，仍難達到晶圓級需求。他認為，只要突破成本與大面積單晶製程，鑽石作為「終極半導體材料」的潛力將全面展開，其獨特性能未來有望改變半導體供應鏈結構，帶動新一波產業升級。
朱宏宥表示，人工鑽石晶片憑藉耐高溫、高壓、導熱及量子運算潛力，在高端半導體應用中具不可替代性。隨著技術成熟與產能擴張，來10到20年，人工鑽石晶片有望成為關鍵核心材料，廣泛應用於能源、交通、資訊及國防等多領域。
延伸閱讀：
