電動車邁向遠程高速公路

半導體產業崛起，我們常聽到「能隙」這個名詞，到底能隙是什麼？能隙越寬的材料又代表什麼意義呢？
近幾年 5G、電動車、AI 蓬勃發展，新聞常說要靠第三類的「寬能隙半導體」發展，到底寬能隙半導體在紅什麼？我們一起來了解吧！

本文轉載自宜特小學堂〈第三類寬能隙半導體到底在紅什麼？〉，如果您對半導體產業新知有興趣，歡迎按下右邊的追蹤，就不會錯過宜特科技的最新文章！

什麼是能隙（Band Gap）？寬能隙又是「寬」在哪裡？

身為理組學生或是工程師，甚至是關心科技產業的一般人，對於「能隙」兩字一定不陌生，但你了解什麼是能隙嗎？

能隙基本上要用量子物理的理論來跟大家說明，「能帶（Band）」的劃分主要為低能帶區的「價電能帶」（Valence Band，簡稱 VB），與高能帶區「導電能帶」（Conduction Band，簡稱 CB）的兩種，在 VB 與 CB 之間即是一個所謂的能帶間隙（Band Gap，簡稱 BG），簡稱「能隙」。

金屬材料能夠導電，主要是因為電子都位於高能的（CB）區域內，電子可自由流動；而半導體材料在常溫下，主要電子是位於低能的（VB）區域內而無法流動，當受熱或是獲得足夠大於能隙（BG）的能量時，價電能帶內電子就可克服此能障躍遷至導電能帶，就形成了導電特性。

我們都知道功率等於電流與電壓加乘的正比關係，在高功率元件（Power device）的使用上如果半導體材料的能隙越寬，元件能承受的電壓、電流和溫度都會大幅提升。大眾所熟知的第一類半導體材料——矽（Si）能隙為 1.12 eV，具有成熟的技術與低成本優勢，廣泛應用於消費性電子產品；第二類半導體材料——砷化鎵（GaAs） 能隙為 1.43eV，相比第一類擁有高頻、抗輻射的特性，因此被廣泛應於在通訊領域。

為什麼需要用到第三類寬能隙半導體（Wide Band Gap，WBG）？

由於近年地球暖化與碳排放衍生的環保問題日益嚴重，世界各國都以節能減碳、綠色經濟為共同的首要發展方向，石化能源必須逐步減少並快速導入綠能節電的應用，因此不論是日常用品、交通運輸或軍事太空都逐步以高能效、低能耗為目標。

歐洲議會在 2023 年通過新法提高減碳目標，為 2030 年減碳 55% 的目標鋪路。國際能源署（IEA）也強建議各國企業在 2050 年前達到「淨零排放」，甚至有傳聞歐盟將通過燃油車禁售令，不論是考量環保或經濟，全球企業的綠色轉型勢在必行。因此在科技發展日新月異的同時，要兼顧大幅提升與改善現有的能源，已是大勢所趨。

目前半導體原料最大宗，是以第一類的矽（Si）晶圓的生產製造為主，但是以低能隙的半導體材料為基礎的產品，物理特性已到達極限，在溫度、頻率、功率皆無法突破，所以具備耐高溫高壓、高能效、低能耗的第三類寬能隙半導體（Wide Band Gap，WBG）就在此背景之下因應而生。

現在有哪些的寬能隙（WBG）材料?

那麼有哪些更佳的寬能隙材料呢？目前市場所談的第三類半導體是指碳化矽（SiC）和氮化鎵（GaN），第三類寬能隙半導體可以提升更高的操作電壓，產生更大的功率並降低能損，相較矽元件的體積也能大幅縮小。
Si 與 C 的化合物碳化矽（SiC）材料能隙可大於 3.0eV；Ga 與 N 或 O 的化合物氮化鎵（GaN）或氧化鎵（Ga₂O₃）能隙也分別高達 3.4eV 與 4.9eV，大家可能沒想到的是鑽石的能隙更高達 5.4eV。

氮化鎵（GaN）或氧化鎵（Ga₂O₃），雖然分別在 LED 照明或是紫外光的濾光光源，已經應用一段時間，但受限於這類半導體材料的特性，其實生產過程充滿了挑戰。例如：要製作 SiC 的單晶晶棒，相較 Si 晶棒的生產困難且時間緩慢很多，以及 GaN 與 Si 晶圓的晶格不匹配時，容易生成差排缺陷（Dislocation Defect）等問題必須克服，導致長久以來相關的製程開發困難及花費高昂，但第三類半導體市場潛力無窮，對於各國大廠來說仍是兵家必爭之地。

寬能隙半導體運用在那些產品上？

現在知名大廠如意法半導體、英飛凌、羅姆等，對寬能隙材料的實際運用均有相當大的突破，如氮化鎵（GaN）在以 Si 或 SiC 為基板的產品已陸續發表，而我們最常接觸到的產品，就是市售的快速充電器，採用的就是 GaN on Si 材料製作的高功率產品。

除了功率提升，因為溫度與熱效應可大幅降低，元件就可以大幅縮小，充電器體積也更加玲瓏小巧，除了已商品化的快充電源領域，第三類半導體在 AI、高效能運算、電動車等等領域的應用也是未來可期。

（延伸閱讀：泛科學—快充怎麼做到又小又快？ 半導體材料氮化鎵，突破工作頻率極限）

現行以矽基材料為主的高功率產品，多以絕緣閘雙極電晶體（IGBT）或金氧半場效電晶體（MOSFET）為主，下圖可以看到各種功率元件、模組與相關材料應用的範圍，傳統 IGBT 高功率模組大約能應用至一百千瓦（100Kw）以上，但速度卻無法提升至一百萬赫茲（1MHz）。而 GaN 材料雖然速度跟得上，但功率卻無法達到更高的一千瓦（1kW）以上，必須改用 SiC 的材料。

SiC 具有比 Si 更好的三倍導熱率，使得元件體積又可以更小，這些特性使它更適合應用在電動車領域。特斯拉的 model3 也從原先的 IGBT ，改成使用意法半導體生產的 SiC 功率元件，應用在其牽引逆變器（Traction inverter）、直流電交互轉換器與充電器（DC-to-DC converter & on-board charger），能夠提高電能使用效率與降低能損。

在未來更高的電力能源需求下，車載裝置除了基本要具備高功率，還需要極高速的充電能力來因應電力補充，車用充電樁、5G 通訊基地台、交通運輸工具、甚至衛星太空站等更大的電力能源需求，相關的電流傳輸轉換，電傳速度的要求以及降低能損，就必須邁向更有效率的寬能隙材料著重進行開發，超高功率的 SiC 元件模組需求亦會水漲船高。

寬能隙半導體在開發生產階段，需進行那些驗證分析？

根據宜特的觀察，晶圓代工廠與功率 IDM 廠商正持續努力研究與開發。不過，新半導體材料在開發初期，會有許多需要進行研發驗證的狀況，近年我們已協助多家寬能隙半導體（WBG）產業的開發與生產驗證。

比如磊晶製程相關的結構或缺陷分析，就可以藉由雙束聚焦離子束（Dual beam FIB）製備剖面樣品並進行尺寸量測或成分分析（EDS），亦可搭配穿透式電子顯微鏡（TEM）進行奈米級的缺陷觀察；擴散區域的分析可經由樣品研磨製備剖面後，進行掃描式電子顯微鏡（SEM）觀察以及掛載在原子力顯微鏡 （AFM） 上的偵測模組-掃描式電容顯微鏡（SCM）判別摻雜區域的型態與尺寸量測。

下圖為 SiC 的元件分析擴散區摻雜的型態，我們可以先用 SEM 觀察井區（Well）的分布位置，再經由 SCM 判斷上層分別有 N 與 P 型 Well 以及磊晶層（EPI） 為 N 型。

另外在摻雜元素及濃度的分析，則可透過二次離子質譜分析儀（SIMS）的技術，下圖 GaN on Si 的元件，先用雙束聚焦離子束（Dual beam FIB）進行剖面成份分析（EDS）判斷磊晶區域的主要成份之後，提供 SIMS 參考再進行摻雜元素 Mg 定量分析濃度的結果，作為電性調整的依據。

除了上述介紹 WBG 元件結構的解析之外，其它產品也都可以透過宜特實驗室專業材料分析及電性、物性故障分析來尋求解答，包括因應安全要求更高的產品可靠度測試與評估，藉由宜特可以提供更完整與全方位的驗證服務。

希望透過本文介紹，讓大家對第三類半導體有更進一步的了解，近期被稱為第四類半導體的氧化鎵（Ga₂O₃）也逐漸躍上檯面，它相較於第三類半導體碳化矽（SiC）與氮化鎵（GaN），基板製作更加容易，材料也能承受更高電壓的崩潰電壓與臨界電場，半導體材料的發展絕對是日新月異，也代表未來會有更多令人期待的新發現。

本文出自 www.istgroup.com。

2022 年 12 月，來自越南的 999 台 VinFast VF 8 City 型智慧電動車乘坐貨輪抵達抵舊金山貝尼西亞港，敲開特斯拉的電動車帝國大門。

除了吹響這次的電動車戰爭號角的 VinFast，眾多車廠像是通用汽車（General Motors）或是來自中國的比亞迪等，都拿起籌碼坐上桌，準備要搶攻這塊市場。而大家手上握的籌碼，就是自家生產的電池。

氫與鋰，都幾？

在電動車產業中，要掌握電動車，就得先掌握好電池。光是電池就佔了整台車 35～40% 的成本，選擇不同種類的電池，更會影響到續行里程、充電效率和安全性。而目前電動車所使用的均為「鋰離子電池」。

大家是否還記得，在十幾年前，與電動車角逐未來「環保車」位置的，還有氫能車。

氫與鋰的競爭勢必發生，它們排在元素週期表最前面，原子序最小的一、三名。鋰的密度甚至僅有每立方公分 0.534 克，比水還要輕，代表在相同的重量下，可以放入更多的原子，攜帶更多的電量，這正是我們最需要的。由於氫氣的分子量小，在燃料電池中的能量轉換效率也不錯，因此「理論上」氫燃料電池的能量密度是鋰離子電池的 150 倍。

只是，就現在技術成熟度來說，明顯是鋰離子電池獲勝，不論是手機、電動車還是大型儲電設備，到處都見得到鋰離子電池的身影。

鋰離子電池

1970 年代，英國化學家惠廷翰（M. Stanley Whittingham）發明了第一個可以充放電的鋰離子電池，其單位重量的儲電效率遠超過當時的鉛蓄電池與鎳鎘電池。在電池中，金屬鋰會在負極丟下電子，以鋰離子的狀態移動到正極，並被特殊設計的二硫化鈦夾層捕捉，電路中的電子則會從負極流往正極，完成電路循環。

不過當時負極所使用的是純金屬鋰，因此，在電池充電、鋰離子會回到負極再結晶成金屬鋰的過程中，會容易形成如同鐘乳石般的晶鬚（Lithium Dendrite），當晶鬚因為反覆充放電變的更長，甚至會戳破電池的保護層，導致短路爆炸。

好在後來美國的古迪納夫（John B. Goodenough）與日本的吉野彰（Akira Yoshino），分別將正極材料換成了鋰鈷氧化物，負極換成可以捕捉鋰離子的碳材料；整顆電池不再有純金屬鋰，只有鋰離子在電解液中移動，確保了安全性，讓鋰離子電池得以商業化。

而這孕育出鋰離子電池的這三位科學家惠廷翰、古迪納夫以及吉野彰，在 2019 年抱回諾貝爾化學獎，實至名歸。

電池的負極在吉野彰將負極換成石墨烯等碳材料後，至今沒有太大的變化，鋰離子電池最主要的改良還是圍繞在正極材料的改變上，我們習慣將不同的鋰離子電池依照它的正極材料來命名，例如：將鋰離子電池的正極改為鋰鈷氧化物，則稱為鈷酸鋰電池。電池發展到現在，陸續登上舞台的還有磷酸鐵鋰電池、磷酸鋰錳鐵電池、鋰鎳鈷鋁電池、鋰鎳錳鈷電池等。

哪個才是最強的電池

「三元電池」是目前市面上可量產的產品中、能量密度最高的電池，也是現在電動車的電池首選。「三元」指的是正極材料中除了鋰以外，加進了鎳、鈷、錳三種元素，具有高容量、低成本的巨大優勢。

除此之外，材料學家發現，如果提高鎳含量，可再進一步提升單位體積的電容量。許多車廠推出的高鎳電池，其鎳含量甚至高達 80 至 90%。這種高鎳三元電池的電容量可以高達每公斤 280～300瓦時（280～300 Wh/kg），相較之下，馬斯克最愛的「磷酸鐵鋰電池」每公斤只有 140~150 瓦時（140~150 Wh/kg），僅三元電池電容量的一半。

那為什麼電動車龍頭特斯拉反而選擇了磷酸鐵鋰電池呢？就是成本考量。

磷酸鐵鋰的成分除了鋰以外，只需要常見的鐵跟磷，完全移除了昂貴的稀有金屬鎳跟鈷，在俄烏戰爭爆發之初，由於俄羅斯是鎳的生產大國，導致鎳的價格在一個月內暴漲了 250%，大大增加了高鎳三元電池的成本負擔。

另外，相對三元電池，磷酸鐵鋰電池不僅成本低，安全性也較高。

除了特斯拉，在 2022 年電動車銷售數量超越特斯拉的中國車廠比亞迪也很愛！比亞迪自行研發的「刀片電池」用的就是磷酸鐵鋰電池，並且透過物理結構的改良，在不過多改變材料的情況下，增加相同體積中的電容量。

次世代電池，Taiwan can help？

科學家預估，鋰離子電池的物理極限大約就在每公斤 300 瓦時，三元電池也差不多摸到這條線了。而這個結果離「完美」絕對還有很大一段距離，因為汽油的能量密度可是每公斤一萬兩千瓦時，鋰離子電池的 40 倍！

先別失望！隨著科技進步，鋰離子電池也將進入次世代。2022 年 3 月，Gogoro 與台灣電池廠商輝能科技共同發表，將在 2024 年導入固態鋰電池，用固態電解質來取代傳統鋰電池中的液態電解液。藉此不僅重量僅有鋰電池的一半，去掉液態成分後更大幅減少漏液、燃燒的風險；更重要的是，固態電池的能量密度上看每公斤 500 瓦時，是三元鋰電池的兩倍，車主們就可以少換幾次電池。

想開電動車的車迷也可以期待，除了 Gogoro 以外，輝能科技也宣布結盟 VinFast，可望在電動車市場上掀起一波固態電池車風潮。

這邊有個更好的消息，超越固態電池，能量密度可以逼近汽油的「空氣鋰電池」已經在研發路上。空氣電池的負極使用鋰金屬，正極則替換為氧氣或二氧化碳，成為鋰氧氣電池（Li–O2 Battery），或是鋰二氧化碳電池（Li–CO2 Battery）；用氣體取代了原先沉重的金屬正極，大大提高了相同重量的電容量。

雖然空氣電池仍在研發，一樣需面對負極沉積時產生的晶鬚、安全等問題；但至少在過去 20 年，鋰電池遇到的困難已經多次被解決，電化學儲能的方式大有可為。

不論是市場上電動車的銷量年年攀升，還是各國政府、車廠的全力投入，電動車主導汽車市場的未來已經清楚可見。未來會不會出現顛覆市場的電池、電動車，甚至是全新型態的交通工具，都令人期待。而在工業製程與材料改革中，「電動車是否真的有比較環保」這個問題，也希望能有個解答。

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18 日首先公布唐獎「永續發展獎」得獎人，由曾任三屆聯合國秘書長之特別顧問、現任哥倫比亞大學永續發展中心主任、聯合國永續發展解決方案網路(SDSN)主席，對於永續發展目標（SDGs）的制訂與倡導貢獻良多的國際知名經濟學家—傑佛瑞·薩克斯（Jeffrey D. Sachs）獲獎，唐獎肯定他在跨領域永續科學議題上的主導角色，以及其所創可應用於鄉村、國家和全球的多邊行動。

當今人類正共同面對環境汙染、極端氣候、能源危機、Covid-19 造成的健康、社會經濟衝擊，以及因一些區域衝突所引發的糧食短缺與通貨膨脹等種種嚴峻的考驗，身為國際知名經濟學家，薩克斯教授不僅在債務危機、惡性通膨、計畫經濟過渡到市場經濟、減少貧窮……等專業領域有開創性的研究成果。

針對全球永續發展所面臨的複雜問題，他更結合全球經濟、公共健康、公平正義與永續性等不同面向，提出開創性的跨領域方法，協助永續發展成為一個可被學術研究及評量實踐的整合性領域。

不論在學術領域、對世界領袖的建言、教育創新和全球永續發展推動與具體實踐上，薩克斯教授均顯示其為具備人文關懷、有願景及具影響力的領導者。

集合統整跨領域的開創方法

傑佛瑞·薩克斯曾在 2002—2006 年，代表聯合國秘書長安南主持聯合國千禧年計劃（Millennium Project），其主要任務是提出具體可行的行動方案來達成 8 項千禧年發展目標（MDGs）^[註1]。其顯著的計畫成效表明了 MDGs 可藉由科學、技術及公共政策的最佳實踐來達成。而聯合國依據 2005 年 9 月特別會議之建議，而後在 2006—2015 年間針對非洲鄉村問題所制定的千禧年鄉村計劃（Millennium Village Project），亦是由薩克斯教授負責，此計劃選定於塞內加爾、奈及利亞、衣索比亞……等10個國家執行，計畫進行的 10 年期間，不管是增加農業生產、減少幼童發育遲緩及降低嬰幼兒死亡率上都有可觀的成果，影響人數高達 50 萬人。其運用整合性鄉村發展來達成 MDGs 的模式，後續更被不少國家複製應用於減少貧窮的相關計畫中。

促成永續發展目標（SDGs）

基於 MDGs 的執行經驗，傑佛瑞·薩克斯一開始便參與了聯合國永續發展目標（SDGs） ^[註2] 的倡導與推動。SDGs 為發展全球永續未來的藍圖，2012 年於巴西里約的第三次地球高峰會（Rio+20）首度被提出，針對全球面臨的貧窮、不平等、氣候變遷、環境惡化等挑戰，制定出包含「終結貧窮」、「健康與社會福利」、「減少不平等」、「氣候行動」、「保育海洋生態」……等 17 項目標，其下還包含 169 項細項目標以及 232 項指標，以協助具體量化與追蹤執行成效。薩克斯教授在 MDGs 顯著的執行成果，以及其於幕前與幕後的大力奔走，對於影響各國接納 17 項 SDGs 作為 MDGs 的後續計畫與達成共識方面，均有極大的貢獻。

為了推動永續發展目標（SDGs），同年（2012 年） 薩克斯教授在聯合國秘書長潘基文的領導下，建立並主持由大學及智庫組成的全球性組織—聯合國永續發展解決方案網路（SDSN），作為協助各國實施及達成 SDGs 的全球知識支撐系統與最大智庫，發表許多具影響力的報告及學術研究成果、提供線上課程並每年舉辦數百場和 SDGs 相關的會議，目前 SDSN 在全球 137 個國家有 47 個網路及 1600 多個組織成員。

對抗人為導致的氣候變遷

傑佛瑞·薩克斯了解制定氣候治理中長期政策架構的重要性。針對「深度減碳」議題，他帶領並完成對全球極具影響力的「深度減碳路徑報告書」，針對世界 15 個主要國家，就能源轉型、產業轉型、科技研發與政府治理等面向，提出具體可執行的深度減碳計畫。此報告書在 2014 年 9 月提交給聯合國秘書長潘基文，表明在到達 2050 年前的數十年期間，各國能如何找出適合自己國家的減碳途徑，既能維持一定程度的經濟發展，也具備技術可行性。後續許多國家也依循此研議，制定了相應的深度減碳路徑。

在 2015 年通過的巴黎氣候協定上，傑佛瑞·薩克斯也有重要的參與。長期以來，在全球氣候治理的議題上，他一直是協助研議關鍵政策的重量級學者。在巴黎氣候協定密集協商的階段，在幕後參與了法國、美國和其他一些國家對於協定內容及如何達成協定的討論。聯合國永續發展目標及巴黎氣候協定，被讚許是全球要達成永續發展的兩個重要支柱，薩克斯教授在這兩個重要支柱中扮演獨特且關鍵性的角色。

提供各國重要諮詢

身為國際知名的經濟發展、總體經濟及對抗貧窮的專家，傑佛瑞·薩克斯也曾對多個面對複雜經濟挑戰的國家提出諮詢建議，包括終止通貨膨脹（波利維亞、祕魯、波蘭）、債務減免談判（波利維亞、巴西、波蘭）、導入市場經濟（波蘭、俄羅斯）、國家新貨幣發行（愛沙尼亞、斯洛維尼亞）、區域發展推動（中國）與擴大健康體系規模（衣索比亞、迦納、印度等）。幾個國家授予薩克斯教授該國最高之榮譽，以感謝他在經濟改革過程中所做的貢獻。

註解

1. 千禧年計劃 （Millennium Project）：1.消滅極端貧窮與飢餓。2.普及初等教育。3.促進性別平等並賦予婦女權利。4.降低兒童死亡率。5.改善產婦保健。6.防治愛滋病、瘧疾以及其他疾病。7.確保環境永續。8.促進全球合作與發展。
2. 永續發展目標（SDGs）：1.終結貧窮。2.消除飢餓。3.健康與社會福利。4.優質教育。5.性別平權。6.淨水及衛生。7.可負擔的潔淨能源。8.有尊嚴的工作及經濟成長。9.工業化、創新及基礎建設。10減少不平等。11.永續城鄉。12,責任消費及生產。13.氣候行動。14.保育海洋生態。15保育陸域生態。16和平、正義及健全制度。17.多元夥伴關係。

【關於傑佛瑞·薩克斯】

1954 年出生於美國密西根州底特律的薩克斯教授，於哈佛大學完成經濟學的學士 、碩士及博士學位，1980 年拿到博士後不到 4 年時間就成為哈佛大學的正教授。曾任哥倫比亞大學地球學院主任、三屆聯合國秘書長之特別顧問。

一生獲獎無數，包括法國榮譽軍團騎士勳章（依法國總統令頒授） 、印度能源與資源研究所 （TERI） 永續發展領袖獎、日本旭硝子基金會藍色星球獎等，並於世界各地獲頒 38 個榮譽博士學位。他發表了數百篇學術論文及多本書籍，其中三本：「貧窮的終結」、「66 億人的共同繁榮：破解擁擠地球的經濟難題」 和「文明的代價」還榮登紐約時報暢銷書。

【關於唐獎】

有感於全球化的進展，人類在享受文明與科技帶來便利的同時，亦面臨氣候變遷、新傳染疫病、貧富差距、社會道德式微..等種種考驗，尹衍樑博士於 2012 年 12 月成立唐獎，設立永續發展、生技醫藥、漢學及法治四大獎項，每兩年由專業獨立評選委員會（邀聘國際著名專家學者，含多名諾貝爾獎得主），不分種族、國籍、性別，遴選出對世界具有創新實質貢獻及影響力的得主。每獎項提供5千萬獎金，其中含1千萬支持相關研究教育計畫，以鼓勵專業人才投入探索 21 世紀人類所需，以頂尖的創新研究成果及社會實踐引領全人類發展。