范淑櫻編譯
被喻為「終極半導體材料」的鑽石在電力控制之功率元件領域的關注度日漸提升，過去相關技術多以學術研究居多，但目前產業界已開始投入並展開佈局。例如由豐田汽車與DENSO共同出資成立的MIRISE Technologies即致力於開發次世代車載半導體，並將鑽石視為10～20年後功率元件的候選材料之一，著手推動相關研究。繼碳化矽(SiC)等材料之後，鑽石或將成為次世代功率元件市場的要角。
目前MIRISE Technologies已與Orbray展開為期3年的鑽石功率元件共同研究，擁有寶石精密加工技術優勢的Orbray將提供鑽石基板製造的專業知識，MIRISE Technologies則以其功率元件技術，投入未來活用於電動車領域鑽石製功率元件所需的基本技術開發，包括導電性鑽石基板的開發，以及利用鑽石基板之垂直型功率元件的構造設計、特性評估等。MIRISE Technologies也將以共同研究為契機，「利用夢想材料，實現夢想中的設備開發」，預計在10年內實現鑽石功率元件在電動車等用途的實用化。
壓倒性的潛力
鑽石被稱之為終極的半導體材料，與既有功率元件材料相比，具有非常高的耐壓(介電崩潰電場)或熱傳導等特性(表一)，相較於SiC，耐壓約為SiC的4倍，熱傳導率約為SiC的5倍。因此，若能實現鑽石功率元件的開發，將可望促進電動車逆變器的省能源化或小型化。
表一、主要功率半導體的特性
目前透過利用SiC，已有逆變器功率模組的能量損耗相較於過往減少了數十%的研究成果相繼出現，而鑽石擁有實現包括冷卻系統在內更大幅度的節能與小型化的可能性。與SiC等相比，鑽石半導體的技術發展尚處於基礎階段，但可望成為主導10年後「次次世代」之功率元件關鍵材料。
然而，實現鑽石功率元件的技術門檻亦與鑽石的高潛力成正比。鑽石是眾所周知自然界天然存在最堅硬的物質，很難在電子元件上進行精密加工，因此製造功率元件所需之大尺寸、高品質的鑽石基板極其困難。
積極挑戰此一課題的Orbray其前身為「Adamant並木精密寶石(於2023年1月更名)」，並以寶石切割、拋光為核心技術，經手精密寶石零件的製造開發。
目前主流的鑽石合成方法是採用高溫高壓合成法(HPHT)，或是利用高溫高壓合成法生長的鑽石基板做為基板基材，並在此基礎上以化學氣相沉積法(CVD)成長同質磊晶(Homoepitaxial)。然而高溫高壓合成法雖可獲得優異的結晶品質，但所得基板尺寸僅限於小型。
為了實現大直徑鑽石基板之目標，Orbray採用了異質磊晶成長法(Hetero Epitaxial Growth)。異質磊晶成長法係以鑽石以外的異種基板做為基材(基底層)，原理上若有可以生長鑽石的較大基材，即可以獲得與基材相同直徑的鑽石。但由於沒有適合鑽石基板合成的基材，以致鑽石生長困難，且因與基材之間的熱膨脹係數、晶格常數差異而產生應力或差排，導致結晶品質降低、裂紋等問題。
有鑑於此，Orbray將世界首創使用銥(Ir)/藍寶石(Sapphire)的基材生長技術結合新開發的鑽石微針成長法(Microneedle Growth Technology)，成功地減少了異質磊晶生長引起的應力或裂紋，進而實現與高溫高壓合成方法相當之高品質鑽石基板的穩定製造。利用此項技術生產的鑽石基板已命名為「KENZAN Diamond™」。
Orbray也發揮藍寶石基板製造商的優勢，進一步推動大直徑化，並新開發了一項「階梯流動成長方法(Step-flow Growth)」，透過精確控制做為底層基材的藍寶石結晶，俾使鑽石在具有輕微傾斜表面(階梯狀)的銥/藍寶石基材上橫向生長，成功地生長出產業應用所需之直徑2吋(約50mm)的鑽石結晶。透過此項技術，Orbray克服了鑽石基板大型化之際與藍寶石底層基材難以剝離的問題(圖一)。目前已著手展開下一階段直徑4吋之鑽石結晶的開發。
圖一、Orbray新原理與既有鑽石製造技術
另在與MIRISE Technologies的共同研究中，Orbray將投入適用於高耐壓垂直型功率元件的導電鑽石基板開發，首先以實現p型(電洞傳導型)鑽石基板為目標，推動不純物摻雜(Doping)等技術的開發。其後MIRISE將展開垂直p型功率元件的試作並進行特性驗證，期探索出活用鑽石特性並能實現高耐壓之元件構造。共同研究首先是發展基礎要素技術，屆時或將可完成二極體的原型試作，但電晶體的製作預期將會落在 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。