從珠寶界到科技界的超級斜槓代表：藍寶石（Sapphire）

藍寶石 (Al₂O₃) 不只是珍貴珠寶，更是現代電子與光電科技不可或缺的「超級基板」。它憑藉著幾項關鍵特性，成為半導體元件生長的理想「地基」。第一是穩定性，它的熔點高達2050℃，且化學穩定性極佳，能承受材料在外延生長時所需的高溫，第二是六角晶體結構，能與許多具結晶性的材料匹配，成為理想的材料成長基板，第三是藍寶石的絕緣電性與高透光性，能夠防止非預期的電流效應，並且能允許可見光到紅外光波段的光線通過，成為光電設備的基礎，而這些獨特的物理特性也促成了藍光LED的誕生，革命性地改變了人類的照明技術。

撰文｜黃鼎鈞

為什麼材料科學研究這麼愛用藍寶石基板？提到「藍寶石」，多數人會想到珠寶店櫥窗裡那顆深藍、晶瑩透亮的寶石，卻忽略了它也是現代電子與光電技術的基板材料，甚至在科學領域中還擁有更巨大的舞臺，從我們每天看的LED燈，到手機相機裡的光學元件，都仰賴著藍寶石基板的存在，為什麼一塊原本用來點綴首飾的晶石，會跨足到現代電子科技的最前沿？

 

藍寶石的發展歷史

天然的藍寶石是鋁氧化物 (Al₂O₃) 的單晶，也叫做「剛玉」，它的硬度僅次於鑽石，外表光亮剔透，它之所以呈現藍色，並不是因為鋁氧化物本身，而是因為天然藍寶石含有極微量的鐵與鈦，當光穿過晶體時，電子會在Fe²⁺和Ti⁴⁺之間「跳躍」，這種電荷轉移需要吸收特定能量的光，而這個能量剛好落在紅光與部分綠光的範圍，於是這些暖色光被吸收，只剩下藍光與紫光通過，我們的眼睛因此看到深藍色，因此，若把所有雜質都去掉，藍寶石其實是完全透明的。

十九世紀末，由於天然藍寶石難以取得且尺寸有限，科學家便開始嘗試人工培育藍寶石，最早的突破出現在1902年，法國化學家Verneuil發明「火焰熔融法」——把細粉末熔成球，再一層層堆疊，長成一支支長晶柱，後來Czochralski、Kyropoulos、HEM (Heat Exchanger Method) 等更先進的晶體生長法陸續出現，使我們能製造大尺寸、低缺陷的藍寶石晶棒。讀者對這些方法名稱可能感到陌生，但概念並不難理解：Czochralski法像是在高溫熔液中「拉起一根正在長大的水晶棒」，逐步形成漂亮的單晶；Kyropoulos法則是讓整缸熔融的材料慢慢、均勻降溫，使晶體由內而外長成；HEM技術則透過上下溫差控制，讓晶體在受控的「溫度梯度」中穩定生長，這些技術的共同目的，是生長出更大、更純、更透明、缺陷更少的藍寶石，後來成為今日半導體與光電工業的基石。

 

藍寶石的物理特性

為什麼藍寶石能當半導體界的「超級基板」？在眾多基板材料中，藍寶石之所以被廣泛採用，是因為它同時具備高溫穩定性、晶體結構相容性，以及電絕緣與光學透明等性質，這些物理特性讓它能支撐多種材料的外延成長與各式光電元件的運作，以下我們一一來了解這些物理特性。

• 耐高溫、耐化學腐蝕

許多材料的外延生長溫度都非常高，像是GaN、AlN、ZnO，甚至某些氧化物薄膜，都需要在1000 ℃以上才能形成高品質結構，而藍寶石的熔點高達2050 ℃，化學穩定度極佳，即使在高溫氫氣、強氧化環境、酸鹼氣氛中依然保持結構完整，這背後的物理原因在於Al–O鍵能極高，晶格緊密且不易被外界化學物質破壞，因此能在極端條件下維持穩定，就像是煮湯時，一定會選擇不怕高溫的鍋子，否者食材還沒煮熟，鍋子已經先融掉了，這怎麼行呢？同樣地，科學家想長晶體，也會挑最能撐得住環境的基板。

• 晶體結構與多種六角或近六角材料相容

藍寶石有著六角的結晶結構，因著有序的結構成為材料成長時的地基，你可以想像藍寶石基板就像是Lego底板，Lego積木能夠更穩地被建造在上面，那當然，底板的格子排列方式會影響房子的穩定度與外觀，所以藍寶石基板能被製作成c-plane、a-plane、r-plane等多種取向（簡單來說就是把同一塊晶體從不同方向切面切下來），讓研究者能根據需要選擇最適合的「晶體面」來生長材料，例如c-plane是六角晶體最平整，是最常被使用的表面。

• 絕緣性高、光學透明

藍寶石的電阻率極高（>10¹¹Ωcm），成為了絕佳的絕緣體，幾乎不讓電子通過，因此能有效避免高壓電子元件或射頻電路中的漏電與雜訊，另一方面，在沒有雜質的藍寶石基板中，從可見光到紅外線都能保持高透光率，因其能隙對可見光而言過大，不會吸收這些波段的光，使其成為光電設備的理想基材，常被用作雷射出光窗、紅外線感測器保護蓋與真空腔體的觀察窗。

藍寶石基板在科技發展中最具代表性的突破，就是藍光LED的誕生，要讓GaN長成高品質薄膜，需要一個能耐高溫、不導電、晶格又足以支撐六角結構的基板，而當時能同時滿足這三個條件的材料並不多，藍寶石便因其高熔點、穩定性與晶體相容性成為最佳的選擇，正因為氮化鎵能在藍寶石上成功成長，1990年代的藍光LED才得以實現，並進一步催生白光LED、背光源、手機照明與節能路燈等應用，徹底改變了人類的照明方式。

藍寶石在珠寶界負責閃耀，在科技界則負責發光，不同舞臺，同樣搶眼，你還知道什麼斜槓很大的材料嗎？！

 

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註釋：文中提到的科學家與技術

• Verneuil（Auguste Verneuil，法國化學家）

1902年發明「火焰熔融法」(Verneuil process)，是第一個真正能大量製造人造藍寶石的技術，透過高溫火焰熔融氧化鋁粉末，再讓其逐層凝固，便能長出如晶柱般的藍寶石，是現代晶體生長技術的起點。

• Czochralski（Jan Czochralski，波蘭化學家）

1916年提出「拉晶法」(Czochralski process)，原本用於研究金屬冷卻速度，後來成為全球製造矽晶圓的主力方法，將種晶子在熔融材料中緩緩拉起，便能生長出高品質單晶，也能應用於生長藍寶石。

• Kyropoulos（Spyro Kyropoulos，希臘物理學家）

1930年代發展的「Kyropoulos法」利用慢速、均勻的降溫，使整塊熔融材料自中心開始凝固，逐漸長成大型透明晶體。因應力較小、缺陷少，是今日生長大尺寸藍寶石的主流技術。

• HEM（Heat Exchanger Method，熱交換法）

1960–70年代逐步成熟，其原理是利用上下溫差控制晶體從高溫區向低溫區穩定成長，能生長出極大、極透明、缺陷密度極低的藍寶石晶棒，是高階光電與量測設備常用的藍寶石來源。

 

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參考文獻

1. Bruni, F. J. (2015). Crystal growth of sapphire for substrates for high‐brightness, light emitting diodes. Crystal Research and Technology, 50(1), 133-142.
2. Ryou, J. H. (2014). Gallium nitride (GaN) on sapphire substrates for visible LEDs. In Nitride Semiconductor Light-Emitting Diodes (LEDs)(pp. 66-98). Woodhead Publishing.
3. Harris, D. C. (2003, September). A peek into the history of sapphire crystal growth. In Window and Dome Technologies VIII (Vol. 5078, pp. 1-11). SPIE.
4. Tomaszewski, P. E. (2002). Jan Czochralski—father of the Czochralski method. Journal of crystal growth, 236(1-3), 1-4.
5. Falckenberg, R. (1978). The Verneuil Process. In Crystal Growth: Theory and Techniques Volume 2 (pp. 109-184). Boston, MA: Springer US.