成為「3D 畫家」的雷射光束

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。

除了線材，市場上也到處可看到標榜使用氮化鎵、可支援大電流快充的充電頭。但為什麼之前充電速度一直快不起來呢？為什麼現在要改用氮化鎵呢？快充能變得更快更快更快嗎？

快充加速了充電速度

在快充出來以前，我們的智慧型手機充電器，功率大約是 5 瓦特（W）或是 2.5 瓦特，現在最夯的的氮化鎵快充頭功率則高達 65 瓦特，相差了 13 倍，理想上充電時間也會縮短為十三分之一。

實際上，這幾年快充的發展速度可能比想像的還要快上許多。

還記得在 21 世紀的 Nokia 3310 嗎？其功率僅 4.56 瓦特，而蘋果一直到 2014 年的 iPhone6 才支援更快的 10 瓦特快充。然而，現在不僅已經出現不少支援 50 瓦特以上快充的手機，今年二月中國手機品牌 realme 推出的 GT Neo5，甚至出現 240 瓦特的超快充技術，是目前充電最快的智慧型手機。

提升充電器功率的關鍵

從過去到現在，充電器不僅功率大幅提升，充電器的大小同時也縮小了許多。過去的線性充電器，除了有條細細長長的尾巴外，最大的特徵就是不僅大、充電時還會發熱的變壓器；為了將市電的 110V 交流電轉為手機可以使用的 5V 直流電，就需要變壓器協助降壓。

變壓器的發熱來源來自內部占了絕大部分體積的線圈，在電路學中被稱為「電感器」。輸入與輸出的線路會以線圈的形式綑在一組鐵芯上，兩端的線圈數量十分關鍵，線圈數量的比值就是兩側電壓的放大大小；若想從 110V 變成 5V，則為輸入的線圈圈數是輸出的 22 倍，那麼輸出的電壓就會減少 22 倍。

在變壓的過程中，輸入端的線圈與鐵芯就像一顆大電磁鐵，讓磁通量通過鐵芯，將能量傳到輸出線圈，輸出線圈則會因為電磁感應，產生相同頻率但電壓不同的交流電，完成降壓。只要再把 5V 交流電轉成 5V 的直流電，就可以幫手機充電啦。

聰明的你應該已經想到，提升充電功率的關鍵就在於——線圈數量。

如果希望變壓器的輸出提升，必須在維持線圈比值的情況下，等比例增加輸入與輸出端的線圈數量；更多的線圈就意味更多的磁通量能透過鐵芯傳到另一端，更多的能量也隨之傳遞。但如此一來，早已被塞滿的變壓器，為了塞進更多的線圈就只能繼續增加充電器的體積，還會因能量耗損放出大量的熱。

若想提升功率，又能減少電感器大小，最好的方法就是——增加工作頻率。

透過「高頻變壓器」的幫忙，將原先市電 60 赫茲的頻率提升到 50K 赫茲，被轉為高頻的交流電再進行變壓，如此一來就能降低能量損耗，所需的電感器大小也會大幅降低。

然而，要注意的是，要想改變交流電的頻率，是無法直接轉換的。要先將交流電轉為直流電，再經由特殊的「開關」電路將直流電轉為特定頻率的交流電；這類型的充電器就被稱為「開關充電器」，現在的智慧型手機就是使用開關充電器。

救世主材料

但隨著手機電池容量不斷增加，手機充電效率的需求永無止盡，充電器又開始一個比一個大。

不是繼續提升工作頻率就好了嗎？那是因為，我們遇到了「矽的極限」。

開關電路中將直流轉為交流的關鍵，就是我們熟知的半導體元件電晶體。裡頭的原料過去都以我們熟知的矽為主，然而以矽為材料的半導體工作頻率極限僅在 100k 以下，如果超過 100k，轉換效率會大幅下降，更有嚴重的能量浪費問題。

解決的方法就是：尋找下一個材料。沒錯，就是最近最夯半導體的——氮化鎵（GaN）；其能隙是矽的 3 倍，電子遷移率為 1.1 倍，崩潰電壓極限則有 10 倍。

顯然，氮化鎵擁有更良好的電特性，還能在高頻、高電壓的環境下工作，使用氮化鎵為材料的快充頭因此誕生！氮化鎵最高的工作頻率是 1000K，是矽的 10 倍，除了讓變壓器的電感線圈能再次縮小，連帶縮小充電頭的體積；亦能降低能耗並減少電容與散熱器的大小，成為好攜帶的快充豆腐頭。

到這裡，或許你會想問，提高充電效率應該不只有換材料一條路吧？還會有更快的充電技術出現嗎？

當然會的；和矽相比，氮化鎵仍有很大的研究性。

而且不僅手機，就以現在市面上正夯的電動車來說，也需要快充技術支援，來減少充電時所需要的時間；為應對龐大的充電市場需求，綜觀整個半導體材料的發展歷史，已經有許多材料問世。除了氮化鎵，還包括矽、鍺、三五族半導體「砷化鎵」（GaAs）、「磷化銦」（InP），以及化合物半導體「碳化矽」（SiC）；在能源產業中，又以氮化鎵和碳化矽的發展最令人期待。

氮化鎵與碳化矽的未來與挑戰

不論以技術發展還是成本考量，這兩位成員還不會那麼快取代矽的地位。

兩者應用的範圍也不完全相同。氮化鎵擁有極高的工作頻率，在高頻的表現佳，並且耐輻射、耐高溫，除了運用在充電技術內外，在高功率 5G 基地台、航空通訊、衛星通訊也都將大展身手。碳化矽則在高溫及高電壓下擁有良好的穩定性，尤其在未來電動車快充的需求增加，1000 伏特以上的充電需求，將使得僅能承受 600 伏特的矽半導體無法負荷，預期將接手電動車中的關鍵元件。

兩者看來潛力無窮，但目前在製程上仍需克服許多問題；如：材料介面的晶格缺陷及成本考量；在它們能像矽材料應用在各方領域之前，還需要投入更多研發能量。

但令人興奮的是，駛向下個半導體世代的鳴笛聲已經響起，不論是台積電、晶圓大廠環球晶，國內外各家半導體大廠，都早以搭上這班列車。不同的材料也意味著，從磊晶、製程、元件設計、晶圓製造都將迎來改變，陸續也有廠商開始使用 AI 輔助設計氮化鎵半導體元件。

未來半導體與科技產業將迎來何種轉變，就讓我們拭目以待吧！

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以往病媒蚊研究中，人類志願者及受試動物，得犧牲小我以造福蒼生。活生生地，讓蚊子叮咬並吸食他們的血液。現在，美國科學家用充滿動物血液的水凝膠餵蚊子；將來或許還能改為填充蛋白質營養液。^[1]從此以後，科學家便能像主持以酒代血的天主教感恩祭，慷慨地對蚊子說：「你們大家拿去喝，這一杯就是我的血，新而永久的盟約之血，將為你們和眾人傾流，以赦免罪惡。」^[2]

餵食蚊子的水凝膠

1944 年科學家 Samuel Gertler 合成的化合物 DEET（中譯「待乙妥」或「敵避」），在二戰期間被美軍用來驅蚊。^[3]之後各種防蚊成份的研究過程，仍免不了仰賴人類和動物的活體貢獻。隨著近年 3D 列印與生物相容水凝膠的技術發展，開發替代品的時機逐漸成熟。理想上，餵食蚊子的水凝膠製品，要具備高解析度的 3D 列印血管、擴散於組織中的血液、對多種蚊子的吸引力、低廉的成本，以及較少的動物實驗倫理問題。此外，最好還能搭配一組攝影器材，與相應的數據運算模型。^[1]

2023 年 2 月，美國研究團隊於《前沿生物工程與生物科技》（Frontiers Bioengineering and Biotechnology）期刊上，介紹他們一體成形的嘗試成果。^[1]

水凝膠的「食譜」

類似於做捲心酥，要先調配麵糊，烘烤定型，才能在裡面填充內餡。此實驗的第一個步驟，是製作稍後能注入血液，或者其他液體的水凝膠。研究團隊先把適當比例的聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）、明膠甲基丙烯（GelMA）、甘油（glycerol）、LAP 光敏劑與檸檬黃食用色素（tartrazine），混合在一起。^[1]透過數位光源處理（digital light processing），使原料遇光固化，將內有曲折空管的水凝膠薄片，3D 列印出來。^{[1, 4]}每批產出3份水凝膠，費時約 23 分鐘。^[1]

接著，成形的水凝膠，被丟進磷酸鹽緩衝生理食鹽水（phosphate buffered saline），浸泡至少 2 天。這段期間內，多餘的色素會不斷流出，所以要勤換水，直到水質清淨。上述從頭到尾的程序，一旦商業量產，成本即可降低。如果在無菌環境中製造，還能冷藏儲存數月。^[1]

注入液體

再來，就要幫捲心酥灌多元口味的內餡了。科學家購買了雞、羊和牛，已經去除凝血功能的研究級脫纖血（defibrinated blood）。^{[1, 5]}依照要進行的實驗，將這些血液或是其他液體，裝進針筒。接著，用注射泵浦（syringe pump）和管路，將針筒裡的內容物以 100 μL/min的速率，推進水凝膠裡。此實驗過程中，一支針筒透過管路，最多連接 6 份水凝膠。^[1]

蚊子實驗

美國科學家將多塊水凝膠，分別放置於幾個玻璃罩內。每個罩子裡，引進 20 至 30 隻母蚊子，當作主要的觀察對象。^[1]由於母蚊子吸血是為了產卵，所以裏頭還加上幾隻公蚊子作陪，來促進其食慾。^{[1, 6]}攝影機全程對準水凝膠，記錄蚊子的活動，時間總長約 30 至 45 分鐘。^[1]基於個別實驗的目的，方法設計上稍有差別：

1. 餵食觀察：使用充滿血液的水凝膠餵食蚊子，調整溫度與設備，替換蚊子的品種，並優化攝影機的紀錄。簡單講，就是做不同的嘗試，為後面的實驗打好基礎。^[1]
2. 食物選擇：為蚊子奉上動物血液、紅墨水和磷酸鹽緩衝生理食鹽水，三種「口味」的水凝膠，並貼心熱菜到37°C。後二者沒什麼營養價值，單純想看牠們好不好騙。^[1]
3. 防蚊成份：3個玻璃罩裡，血液飽滿的水凝膠，都溫熱至37°C，但分別為沒塗料、塗抹DEET，以及敷上一層檸檬尤加利油（lemon-eucalyptus oil）萃取物。測試蚊子會不會因為外層的化合物，放棄吸食水凝膠裡的血液。實驗重複5次，受試的蚊子也每次更換。^[1]

結果與展望

餵食觀察的錄像，歷經截圖、挑選、標註和校正等程序，成果被拿來訓練電腦找蚊子。於嘗試及調整後，此運算模型不僅能辨識影片中的蚊子，還會分別「未進食」與「進食中或吸飽血」的腹部形狀，平均準確率高達 92.5%。這個模型，馬上被運用在後面的實驗裡。^[1]

在選擇食物時，紅墨水和磷酸鹽緩衝生理食鹽水，顯然騙不過受試的蚊子；牠們唯獨吸食有動物血液的水凝膠。未來研發蛋白質營養液時，也可以用雷同的方式，評估蚊子的接受程度。為了引誘牠們，以後也能加碼在水凝膠上，塗抹真實皮膚會有的化學物質，並且在附近散佈二氧化碳。若是成功了，成品就能在其他病媒蚊實驗中，替代動物血液。如此便減少血液傳播疾病的風險，^[1]以及使用動物血液的倫理問題。

另一個實驗的 DEET 和檸檬尤加利油萃取物，一如預期地令蚊子完全不想靠近。倒是沒塗料的對照組，卻意外只有 13.8% 的低餵食率。科學家覺得應該歸咎於水凝膠太小，有些蚊子擠不進去。將來製作時，得加大表面積。^[1]

整體而言，論文的第一作者 Kevin Janson 博士，很滿意這個自動分析功能，迅速又穩定的運算模型。在研究驅蚊效果方面，身為論文作者之一的 Omid Veiseh 教授，則認為他們的設計，未來也可以用於測試其他化合物。至於病媒蚊的品種，此實驗主要採用的，是會傳播黃熱病（yellow fever）、登革熱（dengue fever）和茲卡熱（Zika fever）的埃及斑蚊（Aedes aegypti）。另一位作者 Dawn Wesson 教授表示，假使想套用此模型跟設備，在習性迥異的野生品種上，就得再花時間研究。^[7]

參考資料

1. Janson KD, Carter BH, Jameson SB, et al. (2023) ‘Development of an automated biomaterial platform to study mosquito feeding behavior’. Frontiers Bioengineering and Biotechnology, 11:1103748.
2. 「教學方案」天主教台北總教區教理推廣中心（Accessed on 23 FEB 2023）
3. American Chemical Society. (20 JUN 2020) ‘N,N-Diethyl-m-toluamide (DEET)’. Chemistry for Life.
4. A Dowon, Stevens LM, Zhou K, et al. (2020) ‘Rapid High-Resolution Visible Light 3D Printing’. ACS Central Science, 6 (9), 1555-1563.
5. ‘Technical Support – FAQs’. Thermo Fisher Scientific. (Accessed on 23 FEB 2023)
6. Harrison RE, Brown MR, Strand MR. (2021) ‘Whole blood and blood components from vertebrates differentially affect egg formation in three species of anautogenous mosquitoes’. Parasites Vectors 14, 119.
7. Gillham AB. (09 FEB 2023) ‘Human test subjects may no longer be needed for mosquito bite trials thanks to invention of new biomaterial’. Frontiers Science Communications.