一、實現高極端電性應用半導體的下一步?
繼3C、車用、工控、5G通訊之發展，電子業者仍希望未來不論在光元件、電力元件以及通訊元件間能充分整合，達到無遠弗界之巨量儲存，高速傳輸、以及頻率覆蓋率大之要求，甚至可藉此加強國防裝備、與太空發展，讓科技得以延伸，使研發投資獲得最大效益。因此，未來之半導體材料、元件之特性門檻，不僅要求基本性能符合、也要適應與承受更高溫或更惡劣環境。
當今，部分已經產業化的技術，例如智慧車電(電氣化，自動駕駛，連接汽車等)，互動載具(增強現實體驗)，5G的帶寬增加，智慧人機界面體驗如AR / VR(增強現境/虛擬現境)，人工智慧/機器學習(AI / ML)與無人駕駛汽車，醫療保健，以及工業4.0(連接工廠以提高生產效率)等所需的晶片材料，已經部分由碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN)供應。然而，對於發射太空的衛星所要搭載的功率放大器，或是在地面的接收站所需要之高頻高功率的半導體，以及在國防裝備領域中，既有的碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN)半導體材料是否能展現如常規使用的優良特性?是被擔心的問題，因此超寬能隙、更高熱傳導係數、更快之電子遷移速率、更高載子濃度的半導體材料將是對應特殊用途需求，促進半導體材料往下世代進步之關鍵。
二、金剛石半導體將促進半導體產業再升級
在後摩爾時代，以碳為材料之電子應用的發展受到人們的廣泛關注。過去關於碳材料的應用與研究已累積不少能量，尤其在碳球、一維的奈米碳管和二維的石墨烯材料上；這些碳基奈米材料的電子學研究也取得重大進展。然而受限於碳球與碳管材料結構上之限制，不易量產品質一致之材料。例如：奈米碳管屬中空管柱結構，在導電與場發射應用上常產生材料結構缺陷導致電子性能的不一致。再則目前奈米碳管的單價太高，尤其電子性能較佳的單層奈米碳管的單價會是多層奈米碳管的數十倍以上，阻礙了相關應用的擴大。另外在石墨烯(Graphene)方面，石墨烯是一種由碳原子以sp2混成軌域組成六角型蜂巢晶格的平面薄膜材料，是僅有一個碳原子厚度的二維材料。與奈米碳管相同，材料結構的缺陷對石墨烯材料的性能也有重要影響，因為這些缺陷會導致電荷載子散射，影響材料的導電性；同時單層石墨烯在製作控制上相當不易，不易獲得完整薄膜，是目前量產上遭遇的最大困境。
金剛石於工業上主要應用於切割、鑽鑿和研磨等機械領域，但其實它具有極高的熱傳導率(傳熱能力)、載子遷移率(即載子(Carrier)受到外在電場的作用下，能移動的多快的一個指標，載子遷移率越高，材料導電性越好)、高的電壓擊穿強度和極廣的能隙(bandgap)等特性，讓金剛石被視為極具潛力的電子和光子材料。
由於金剛石寬能隙的特性，已有多家機構開始應用金剛石作為電子材料。例如美國洛克希德公司(Lockheed Corporation)飛彈和太空部門，已採用低壓氣相合成的金剛石薄膜來製造飛彈的紅外線接收窗口(Windows)；主要由於飛彈發射後，於高速狀態下飛行，必須承受風沙雨雪考驗，金剛石膜同時具有高耐磨性與良好的紅外線穿透兩種特性。
美國能源部國家實驗室認為金剛石晶圓也是未來美國解決當前全球電路整合問題的唯一選擇，有機會突破摩爾定律之限制。甚至有單位陸續將該材料應用在航空、衛星之電子元件進行試驗。主要就是金剛石具極高熱導率和可承受高達500W/cm2的熱流密度，可以滿足航太設備的散熱要求。
三、金剛石潛在的競爭優勢
金剛石是已知具最高(極限)能隙的半導體材料，其能隙為5.5 eV，比GaN、SiC等寬能隙半導體材料還要大，各材料的能隙如表1所示，金剛石能隙寬度是矽(Si)的5倍；載子遷移率也是Si材料的3倍，理論上金剛石的載子遷移率比現有的寬能隙半導體材料(GaN、SiC)也高出2倍以上。同時，金剛石在室溫下有極低的載子濃度，同時具有半導體材料中最高的熱傳導率，為AlN的7.5倍。由於以上優異的性能，金剛石被認為是下一代高功率、高頻、高溫及低功率損耗電子器件最有希望的材料，被業界譽為“終極半導體”。
表1 具可產業化優勢之半導體材料特性比較表
資料來源：公開資料整理，工研院產科國際所 ITIS研究團隊(2022/3)
另外以金剛石作為基板之GaN電晶體，實際運作時量測元件表面之升溫狀況，如：圖1，Qorvo測試可明顯看出，金剛石基板上之元件溫度相較於Si與SiC基板明顯低很多，在熱傳效益上具優異性能。
資料來源: 官網Qorvo測試
圖1 GaN 電晶體在Si、SiC、金剛石(Diamond)上之工作溫度表現
金剛石於半導體產業的應用，需要使用較大尺寸的單晶材料，目前重複生長法、三維生長法及馬賽克法等技術的出現，促進了大尺寸金剛石製備的發展，也掀起研究製備金剛石的熱潮。
未來超級運算、超連結通訊、量子運算、6G等應用將會陸續出現，為了支持上述應用，讓運算的能力與速度升級，成為金剛石薄膜材料應用在半導體產業的新契機。
四、產業發展機會
基於國際科技發展趨勢，太空通訊產業的商用化應用也開始受到關注，包含低軌道通訊衛星、監測衛星都開始陸續商轉，未來智慧地球、智慧社會和智慧經濟將不在只是夢想。隨著各應用的逐漸成型，更巨大的商業機會將逐漸出現，為未來的生活帶來更多、更加智慧化的演進。
相較於目前產業間熱門發展之半導體材料，如GaAs、InP材料(高頻應用)、SiC(高功率應用)外，金剛石除了材料基本特性優於以上材料外，也具環境保護與人體安全之優點。主要由於砷化鎵(GaAs)和磷化銦(InP)基板中的砷與銦元素對環境與人體健康有較大的潛在不良風險，砷化鎵(GaAs)和磷化銦(InP)容易經由吸入其顆粒物的方式進入人體；磷化銦(InP)易燃，電器火災時易與水蒸汽和酸反應生成三氫化磷形成有毒的氣體顆粒；GaAs在加工研磨、切割或拋光時均可能產生顆粒物等。
國際上目前將金剛石應用商業化的企業，包括英國Element Six公司、日本Sumitomo Electric公司、Morgan Technical Ceramics、Advanced Diamond Technologies、 NeoCoat、AKHAN Semiconductor等。2019年全球半導體用金剛石材料市場規模已達41.64百萬美元，預計2026年可達到105.38百萬美元，2020至2026的年複合增長率(CAGR)為14.56%，市場成長可期。因此，開發金剛石材料在國防科技、電子元件等領域的應用，可以擴增我國半導體產業之應用範疇，亦可對下下世代半導體製程進行先期布局。