半導體材料從矽到超寬能隙

更新於 發佈於 閱讀時間約 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。

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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

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。


第五代與未來:二維材料與未知疆界

最新的討論甚至開始提到第五代半導體。目前尚未有統一定義,但一般指向以下兩個方向。這些材料在量子效應與極低功耗領域具有潛力,可能成為量子電腦或新型感測器的基礎。

  • 更廣泛的 UWBG 材料,例如高鋁成分的 AlGaN 合金
  • 二維材料(2D materials),如石墨烯與過渡金屬二硫化物(TMDs),甚至奈米片結構的鈦硼化物

可以想像,這些材料就像全新的建材,可能造出我們從未見過的建築形態,不再只是高樓或大橋,而是跨次元的結構。挑戰在於大多仍停留在研究室,缺乏成熟的製程與量產技術。


材料世代的演進,並不是單純的替代,而是讓半導體的應用版圖不斷拓展。矽仍然最廣泛,但新材料則不斷補上矽的缺口。當我們談到第五代時,已經不再是單一路徑,而是多線探索,可能同時朝超寬能隙、二維材料、甚至量子材料前進。


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邊喝邊想
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有些問題,邊喝點東西,邊想,會比較有答案。這裡是我閱讀、觀察、懷疑,然後慢慢轉化的地方。寫的東西有科技、咖啡、酒,偶爾是神話。如果你也喜歡慢慢想事情,跟著我的節奏,這裡或許適合你。
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