並沒有把問題解決的「可分解塑膠」

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。

橡膠對現代人的重要性

如果沒了這種物質，世界會是什麼樣子？試想沒有輪胎的汽車、沒有奶嘴的奶瓶、沒有腳蹼和潛水服的潛水器材、沒有橡皮擦的鉛筆、沒有黃色小鴨的童年⋯⋯

這種質地特殊的材質便是橡膠。橡膠來自原生於亞馬遜叢林、名為「巴西橡膠樹」的樹木（Hevea brasiliensis，命名來源就是因為這種植物生長於巴西）。

不過，歐洲人首次注意到的橡膠樹其實是圭亞那橡膠樹（Hevea guianensis）。樹如其名，這種橡膠樹生長於圭亞那。

在歐洲人「發現」橡膠樹的時代（印第安人當然很早就認識了這種植物），圭亞那是個鮮為人知的蠻荒之地，沒有火箭發射場也沒有淘金客。

當時也不流行生態旅遊、T 潘趣酒（ti-punch，一種蘭姆酒的調酒）或卡宴辣椒。當時的人也從未想到，這種看似平凡的熱帶樹木即將引發高潮迭起的植物和經濟熱潮⋯⋯偶爾還有些悲壯。

有位巧手的工程師正在尋找會哭泣的樹木

第一位對橡膠產生興趣的人，是胥修德里領主、加陶迪耶的弗朗索瓦．弗雷諾（François Fresneau de la Gataudière, 1703–1770），他在 1703 年生於牡蠣的原鄉、法國西南部的馬雷訥。他的全名看起來充滿上流社會的氣息，我們在這本書中稱呼他為弗雷諾就好。

弗雷諾本人似乎遭到歷史遺忘，但他的發現和成就改變了世界。就如同法國歌曲〈塑膠超讚〉的歌詞：「塑膠超讚，橡膠超柔軟」！今日的人類已經可以羅列出超過 25,000 種不同的橡膠用途。

路易十五的海軍大臣莫爾帕伯爵菲利波（Jean-Frédéric Phélypeaux de Maurepas, 1701–1781）任命弗雷諾為圭亞那首府開雲的皇家工程師。弗雷諾當年29歲，而且熱情滿滿。

弗雷諾的第一份工作便是研究新堡壘如何搭建。他也需要採收植物，以便充實皇家花園。他對當時圭亞那的可可園十分感興趣。工程師弗雷諾的得意作品中，最令他得意的發明作品是⋯⋯蟻巢毀滅器！果真是自由奔放的年輕人。

發明蟻巢毀滅器的天才：弗雷諾

當時，可可園遭受紅螞蟻入侵，而充滿創意與膽識、彷彿十八世紀馬蓋先（譯註 美國冒險影集《百戰天龍》主角）一般的弗雷諾便發明了可以將硫磺吹進蟻巢的機器。

螞蟻因此蒙受苦難。他持續搭建非常實用的引擎：將溝渠斜坡上的泥土提起並移走的起重機、磨碎木薯或小米的手磨機、從木薯根部榨出水分的壓縮機。他還策畫了奧亞波克河新哨所的防禦工事。

弗雷諾被自己的成功沖昏了頭，希望加官晉祿，要求升任上尉。當時的圭亞那監察專員也認為弗雷諾「熱情澎湃，宛如英雄」。

然而，他卻受到其他殖民地老長官和開雲教士社群的忌妒，升官之路受阻。於是，弗雷諾前往鄉間，僱用 八名「黑人」（請記得，當時的法國人仍使用「黑人」、「野蠻人」、「生番」等稱謂來稱呼和殖民者長相不相似的族群⋯⋯），並種植甘蔗、木藍等植物。

他也持續發展自己的防禦工事專長，發明了一種可以用來製磚的泥沙混和物。真是位天賦異稟的工程師啊！

——本文摘自《植物遷徙的非凡冒險》，2023 年 6 月，時報出版，未經同意請勿轉載。

• 作者／王潔、許惠晴

• 作者簡介
  • 王潔／麻省理工學院材料工程學系博士，任教於清華大學化工系，研究領域為生物可降解高分子的開發與應用。
  • 許惠晴／清華大學化工碩士班畢業，現為塑膠生物分解相關領域研究助理。

• Take Home Message
  • 聚乳酸（PLA）為生物可分解塑膠，在高溫與高濕度的堆肥環境下 PLA 能被微生物分解並轉換成二氧化碳。
  • 目前臺灣並未將 PLA 的回收和堆肥機制立法，即使業者能回收、製作堆肥，也不能合法販售，無法使金錢流與物質流一同循環。
  • PLA 屬於塑膠回收分類的第七類，但臺灣民眾認識不足、政策與回收物末端處理也未做好準備，因此自今（2023）年8月起將禁用 PLA 免洗餐具。

在日常生活中購買商品時，常會看到商品標榜使用生物可分解塑膠（biodegradable plastics）作為盛裝容器，而聚乳酸（polylactide，PLA）則是許多人耳熟能詳的種類之一。自臺灣 2002 年實施限塑政策以來，PLA 逐漸被業者所採用，但在今（2023）年8月卻又將被政府修法禁用。

為什麼 PLA 過去能在塑膠市場中嶄露頭角？如今又為何被禁用？

來自可再生資源的PLA

雖然 PLA 的耐受溫度受限在 50℃ 以下，但它的外觀或材料強度，與日常可見的傳統塑膠如聚乙烯對苯二甲酸酯（polyethylene terephthalate，PET）、聚丙烯（polypropylene，PP）等十分相近。如果我們在生活中特別留意，可以發現生鮮托盤、雞蛋盒、冷飲杯、餐具等都可能是 PLA 製品。因此在拋棄時需要特別注意，將它與傳統塑膠區分開來，歸在塑膠回收分類的第七類（即其他類）。相較於傳統塑膠，PLA 除了號稱生物可分解之外，原料與製程也與傳統塑膠大有不同——PLA 的原料來自植物澱粉，例如玉米、馬鈴薯等，也就是所謂的生物基（biobased）。

澱粉經加熱或酵素分解成葡萄糖後，再藉由特定菌種的糖解（glycolysis）與發酵（fermentation）作用，成為聚合前的乳酸（lactic acid）單體，隨後再經由一連串加熱、脫水、聚合成為最終的高分子成品—— PLA。由於 PLA 的原料來自於可再生的植物資源，並非不可再生的石油，且植物在種植過程會吸收大氣中的二氧化碳，也能對溫室氣體的減量做出貢獻。因此在世界各國強調減碳的趨勢之下，PLA 確實是十分優秀的替代物。

可堆肥塑膠的生物分解過程

既然被稱為生物可分解塑膠，PLA 究竟如何被生物分解呢？PLA 屬於聚酯類（polyester），聚酯中的酯鍵較能被環境中的水分或生物水解酵素分解，可說是生物可分解塑膠類別裡的大宗。此外，在學術期刊中也能找到 PLA 藉由生物酵素、菌種或堆肥分解的資料。

不過在現實生活裡，處於「生物分解」過程中的塑膠會是什麼模樣呢？若以歐洲的可堆肥塑膠認證標準（EN 13432）為例，通過重金屬檢測的塑膠材料在「控制環境條件的堆肥」中存放三個月後，必須有90％ 崩解成小於兩毫米（mm）的碎塊；塑膠中 90％ 的有機質在六個月內能被轉換成二氧化碳；最後則是將此堆肥用於生物毒性測試，確認植物是否能於其中生長良好。

筆者團隊參考生物分解性試驗（ISO 14855-1 / ASTM D5338）的國際標準，透過控制環境條件的小型堆肥，實證 PLA 塑膠片的生物分解性（圖一）。在實驗中僅使用一般市售腐植質培養土作為資材，其中的菌類活躍程度應不如發酵中的堆肥，但依然能在兩個月內看見塑膠片碎裂、消失（圖二）。此外，含有PLA 塑膠片的堆肥相較於無添加 PLA 的堆肥，也被偵測到有較多的二氧化碳產出，透過計算可得出約有60％ 的 PLA 已被轉換成二氧化碳。然而，這些堆肥的「控制環境條件」特殊，溫度除了必須設定在50℃ 以上之外，還需要維持在高濕度。

PLA 堆肥實況與臺灣現況

如果在實驗室外、變動因素較多的環境下，PLA 塑膠也能如此順利地被分解嗎？對於這點，臺灣其實已有業者實做出 PLA 塑膠袋的回收與大型堆肥（圖三），並將熟成後的肥料實際用在自家農園中。然而這些堆肥其實也不僅是混合植物資材、動物糞便等有機質及 PLA 而已，堆肥中的各個資材種類需有特殊配比，才能讓堆肥在發酵至腐熟的過程中可以發熱至一定的高溫。此外，溫控設備需要將堆肥的溫度穩定控制在 60℃；還需要定期灑水與自動曝氣，幫助維持堆肥中微生物的生存條件。雖然號稱為生物可分解塑膠，但要讓 PLA 回歸大自然似乎不是件輕而易舉的事。

透過堆肥的方式使生物分解後繼續作為農用肥料，或是回收再製成二次塑膠，其實都是讓 PLA 留在物質循環裡的方式，也切中了近年來許多單位提倡的「循環經濟」（circular economy）。以現今的堆肥技術而言，PLA 堆肥已能夠穩定熟成並有所產出，在塑膠回收再製方面也有一定程度的技術，因此「效益」便是選擇做與不做的關鍵。

至今為止，臺灣對於制定可堆肥塑膠的相關政策仍未臻完善，並未立法建立回收機制讓 PLA 廢棄物能進入堆肥中。即使業者自行將塑膠獨立回收進行後續的堆肥處理，完成後的肥料也不能合法販售，無法形成完整的金錢流與物質流一同循環。

最後，PLA 在臺灣的普及度相較於傳統塑膠來說本來就不高，回收率又十分低迷：根據 2021 年環保署回收基管會的統計數據，PLA 在臺灣的回收率僅有5～6％。除了市場流通量小，再加上因為制度與民眾教育不足所導致的低回收率，使得 PLA 廢棄物的處理缺乏效益。沒有經濟誘因，何來循環？

歐盟政策推動塑膠永續的做法

歐洲對於塑膠永續的推動，在國際上可說是領先的角色。歐盟（European Union，EU）更是持續支持生物可分解塑膠或可堆肥塑膠的發展，並在去（2022）年11月底提出了《生物基、生物可分解與可堆肥塑膠政策框架》（EU policy framework on biobased, biodegradable and compostable plastics），聲明生物基、生物可分解與可堆肥塑膠在汙染議題中的目標、應用價值及適當的使用方式，進而引導往後的立法，以及永續的塑膠市場。

首先，以 PLA 的材料本質來說，它的原料來自於玉米、馬鈴薯等植物，雖然能夠減少消耗石油資源，但仍應當兼顧生態多樣性、土地與水源利用。畢竟種植經濟作物的同時，勢必得開發自然土地、占用部分水源，甚至不可避免地需要使用化學肥料或農藥，進而危害到原始生態系。另外，為了生產塑膠影響到糧食供應也可能是個隱憂，若能優先使用回收塑膠、有機廢棄物或副產物作為塑膠原料，將能夠降低為了生產 PLA 對生態系與糧食的影響。

歐盟的政策框架對於「生物可分解」塑膠的性質，則認為「廢棄物管理不周」的問題不應該以生物可分解塑膠作為解方。生物可分解塑膠常被應用在消耗快、難以資源循環、生命週期短的產品上，雖然容易被丟棄但仍有它的特定分解環境與分解時間需求。像是需要在高溫、高濕環境才能分解的 PLA 就是很貼切的實例，它需要搭配消費者正確的認知、使用與回收習慣，才不會和傳統塑膠一樣累積在環境中造成汙染。

總結來說，歐盟對於生物基、生物可分解與可堆肥塑膠的運用，希望以減量、再利用及回收，也就是「3R」（reduce、reuse、recycle）為優先原則，並達成資源循環、資源利用效率、氣候中和、零汙染、生態多樣性維持等永續目標。

PLA 的未來

雖然本意是為改善傳統塑膠汙染問題並因應限塑政策，但臺灣卻在立法、回收機制、廢棄物後端處理，以及民眾教育均尚未準備好的情況下就讓 PLA 進入市場。傳統塑膠回收分類中的六大類已經夠讓人眼花撩亂，再多一項 PLA 加入第七類，更會增加人們拋棄塑膠時的困擾。

也由於民眾尚未建立完整的回收概念、後端堆肥處理機制也未完善，導致 PLA 被使用後的去處如同沒被回收的傳統塑膠般，變成了垃圾；即使 PLA 被正確回收，也沒有廠商能二次使用或再製成堆肥。這兩項原因最終都可能讓 PLA 進入到焚化爐、掩埋場或流向大自然。

還有一種情形是民眾落實了塑膠回收，但卻將 PLA 與傳統塑膠歸在同一類，使 PLA 混入傳統塑膠的再製過程，影響了它二次塑膠的性質。美國知名速食業者在臺灣也曾以含有開口的 PLA 杯蓋取代傳統塑膠吸管的使用、冷飲杯與沙拉碗同樣使用 PLA 材質，但也因為察覺到消費者回收上的不便，以及質疑 PLA 的最終流向，令他們在 2020 年停用了 PLA 材質包裝。臺灣也終於要修法，即將於今年8月禁止使用生物可分解塑膠免洗餐具。

面對塑膠汙染議題，其實從來就不只是「塑膠材質是否為環境友善」單方面的責任。PLA 在來源以及生物可分解方面確實相較於傳統塑膠有它的優勢，但卻也需要使用者正確的觀念配合及政策支持才能完整達到環保的目的。最後，「塑膠減量與再利用」也是緩解塑膠汙染重要的一環。透過綠色塑膠材質與減量雙管齊下，才能讓塑膠發展平衡地邁向永續。

• 〈本文選自《科學月刊》2023 年 5 月號〉
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