半導體材料從矽到超寬能隙

2025/09/01 更新2025/09/01 發佈閱讀 6 分鐘

半導體不只是矽與台積電的故事。除了矽，還有氮化鎵 (GaN)、碳化矽 (SiC)、氧化鎵 (Ga₂O₃)、甚至鑽石與二維材料，它們在電動車、快充、資料中心、醫療感測、航太系統都有獨特舞台。半導體的疆界，其實比我們日常聽到的更廣闊。

大家早安，今天我們要聊的不是幾奈米製程，而是更底層的問題：半導體的材料。你手上的手機、家裡的電腦，甚至電動車的充電器，它們的晶片能工作，全都靠材料特性來決定。從第一顆矽電晶體到現在被寄予厚望的鑽石和二維材料，半導體的發展其實就是一場材料文明的進化史。

為什麼要劃分材料世代？因為不同材料能決定一顆晶片能承受的電壓、能效表現，甚至能不能在極端環境下繼續工作。矽能讓電腦普及，砷化鎵讓手機與光纖網路成形，碳化矽與氮化鎵則讓電動車與快速充電成為日常。現在，科學家正努力把氧化鎵、鑽石與二維材料帶入應用，希望能推動第五代甚至更遠的世代。先釐清兩個基本概念

能隙（Bandgap） 指的是電子要從價帶跳到導帶所需的能量，像是一道水壩。太低，電子亂跑，像金屬；太高，幾乎不導電，像絕緣體。半導體的神奇在於剛剛好，能被外力精準控制。矽的能隙是 1.1 eV，氮化鎵 3.4 eV，鑽石更高達 5.5 eV

電子遷移率（Electron mobility） 則是電子在材料裡移動的速度。遷移率高，就像高速公路，訊號能快速傳輸，適合高頻通訊；遷移率低，就像小巷子，雖然穩定但速度有限。GaAs 和 InP 遷移率高，因此能應付 GHz 級的射頻晶片

第一代：矽與矽鍺，半導體的基石

展示了矽、碳化矽 (SiC) 與氮化鎵 (GaN) 在能隙、電子遷移率與耐高壓等性能上的差異，直覺理解為何第三代材料適合高功率與高頻應用。

1950年代，第一代材料的主角是矽（Si），外加少數的矽鍺（SiGe）。矽的能隙是 1.1 eV，這個數值恰好適合在室溫下控制導通與關閉，成本低、來源豐富，製程也最成熟。矽鍺則提供較高的電子遷移率，在高速電路與通訊領域幫助矽延壽。應用場景是處理器、記憶體、感光元件，幾乎所有我們熟悉的 PC 與智慧型手機核心都是矽製的。它就像建築的水泥，雖然不是最亮眼的材料，但便宜、可靠，撐起了整個城市。

挑戰在於能效逐漸逼近極限，當電壓與發熱問題越來越難解時，矽已經無法單獨支撐所有需求。

第二代：砷化鎵與磷化銦，光電的世代

1970年代後，第二代材料登場，代表是砷化鎵（GaAs）與磷化銦（InP）。它們的能隙約在 1.4–1.5 eV，電子遷移率高，能快速響應高頻訊號。這使它們特別適合射頻晶片與光通訊。手機裡的射頻前端模組，多半使用砷化鎵；而光纖網路能長距離傳輸，背後則仰賴磷化銦雷射。紅外線感測器、衛星通訊和軍事雷達，也都倚賴這一代材料。

它們像是建築的鋼筋與玻璃，雖然成本比水泥高，但能讓大樓更高、更透明，支撐起新的結構。挑戰在於製程成本較高，且難以大規模取代矽，所以主要集中在高附加價值市場。

第三代：碳化矽與氮化鎵，高功率電子的時代

進入 2000 年後，電動車與新能源需求爆發，第三代材料成為焦點。碳化矽（SiC）能隙約 3.3 eV，氮化鎵（GaN）則約 3.4 eV，遠高於矽，能承受更高電壓並在高溫下保持效率。應用場景包括電動車逆變器、充電樁、高效伺服器電源模組，甚至 LED 與藍光雷射。這一代的核心是能效革命，讓能源轉換損耗大幅下降。

比喻來說，這些材料像是新型合金，不僅能蓋高樓，還能支撐高速列車與電動飛機的引擎。挑戰在於晶圓生長困難、成本高，尤其是 SiC 的長晶過程耗時又昂貴，良率成為限制因素。

第四代：超寬能隙，邁向極端環境

近十年來，研究者開始把目光放在更極端的材料，稱為超寬能隙（Ultra-Wide Bandgap, UWBG）。代表包括氧化鎵（Ga₂O₃，能隙 4.8 eV）、氮化鋁（AlN，能隙 6.2 eV）、甚至鑽石（C，能隙 5.5 eV）。這些材料能在更高電壓、頻率與溫度下工作，適合藍紫外光 LED（380–420 nm）、航太電源、雷射武器系統。雖然還在實驗或初步商用階段，但已被視為電力電子的未來世代。

比喻來說，它們像是航太用複合材料，能讓飛機進入大氣層之外，支撐更嚴苛的環境。挑戰是製程技術尚未成熟，晶體缺陷、導熱性與成本仍是巨大障礙。

藍紫光 LED 是一個過渡點。比藍光能量更高，可以用來做光碟刻錄、部分感測。又不像深紫外光 LED（<280 nm）那麼難製作，也不需要高昂成本。