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首創「磁電子學」概念,物理新發現的喜樂是最強的動力!——郭瑞年專訪

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/03/08 ・4093字 ・閱讀時間約 8 分鐘

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本文由 台灣萊雅L’Oréal Taiwan 為慶祝「台灣傑出女科學家獎」15周年而規劃,泛科學企劃執行。

 2015 年「台灣傑出女科學家獎」傑出獎第八屆傑出獎得主

  • 郭瑞年現任教於清華大學物理系,她被譽為台灣凝態物理權威,也是台灣半導體材料研發先驅者,致力於創新高介電值介電材料,成功研發取代傳統矽基半導體的電子技術。她自台大物理學系畢業後,赴史丹佛應用物理系攻讀碩博士,之後便在舉世聞名的貝爾實驗室從事研究長達 22 年,直到 2003 年回台任教。

「我準備了一份 PowerPoint 簡報,來讓你們好好認識物理。」還沒開始採訪,就已經感受到郭瑞年對物理如夏日豔陽般的熱情。在這一頁一頁的簡報與一來一往對談之中,以她四十年的科研歷程與物理學知識為經緯,交織出了這位科學家一路走來求知求真的精彩旅程。

郭瑞年對於物理的熱情溢於言表,也感染了周遭的人。圖/劉志恒攝影

見證新發現,是持續研究的最大動力

長年遊走在擬態科學的奇妙世界,由低溫超導體開啟旅程,郭瑞年的研究題材涵括了磁性超晶格、高溫超導體、透明導體、奈米電子學、自旋電子學與拓樸絕緣體。她在 1981 年畢業後,進入了科學研究的重要殿堂——貝爾實驗室,在此展開了「磁性超晶格」的相關研究,成為了「磁電子學」的開創者,此概念為 2007 年諾貝爾物理獎「巨磁阻現象」發現的重要基礎。

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若能將材料縮到奈米尺度,磁性是不是會出現改變?而如果人為可控制磁性的奈米材料,對科學界來說會是很重大的突破——從與同事聊天中得到的靈感。郭瑞年於 1983 年正式啟動相關研究:將磁性材料與非磁性材料像千層派那樣相互堆疊,每一層的厚度控制在原子層級,並對這樣磁性與非磁性堆疊而成的「磁性超晶格」進行實驗和觀察。頭兩年的研究並沒有很順利,測量出來的結果有些難以用既有的物理規則解釋。

為了釐清這「違反常理」的結果中間有何玄妙之處,郭瑞年聯絡另一位物理學家,進行中子散射實驗和分析,發現「透過非磁性材料層產生長距離磁耦合,由此改變磁性材料層的磁性方向」一個嶄新物理的機制,而這現象會受溫度影響:在室溫下的耦合力相對弱,在低溫下則會變強。 這物理機制便奠定了後來 1988 年法德兩位科學家 Fert and Grunberg 所發發現的巨磁阻效應(Giant Magnetoresistance; GMR)的重要基礎。

很多人形容郭瑞年與諾貝爾獎擦身而過,不免讓我們好奇她是否感到遺憾?郭瑞年揮揮手笑著說這個問題很多人問過。她表示雖然多少有遺憾,但發現一個超乎想像的嶄新物理現象時,「那種興奮感跟喜樂,是只有親自從事實驗的人才能體會出來,那是非常非常寶貴的,終生難忘!」而那才是真正帶動物理學家持續探索前進的動力。

郭瑞年認為,物理發現帶來的興奮與喜樂是令人難忘的動力。圖/劉志恒攝影

除了磁性超晶格,「前瞻」亦為郭瑞年其他研究的共同特色。1986 年年底,震驚世界的高溫超導體被發現,郭瑞年隨即展開相關的研究,成功製造了單晶高溫超導薄膜,進行尖端超導特性研究。

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1993 年團隊開始進行奈米電子學的研究,最重要的主題即是尋找可以取代矽晶,讓積體電路體積進一步縮小,並減少耗能的材料。在這個主題上,砷化鎵的電子遷移率較矽高上很多倍,有機會成為適合的替代品。但是相較於矽,這類由元素週期表上的三族與五族組成的三五半導體的氧化物表面容易有缺陷,很難發展成電晶體。郭瑞年自稱幸運,和她的先生洪銘輝博士合作,成功發現了適合的鎵釓氧化混合物,可做為砷化鎵的表面絕緣氧化層,並首次製成了三五半導體之場電效應電晶體。目前市場上已出現這類「第二代」半導體應用,特別是目前在 5G 通訊上急需發展的超快科技,可取代目前面臨極大瓶頸之矽半導體技術。

Prof. Kwo and Prof. Hong, 1983, in front of the main entrance of the Bell Lab, Murray HIll, 1983.  source: 受訪者提供。

然而當年砷化鎵曾經相當不被看好,為什麼仍然選擇這個主題?郭瑞年表示,這就是選擇研究主題的前瞻性:「從開始做研究最後到真的放在桌上可以用,這中間可能是三十年或四十年的時間」,完成重要探索、獲得成果直到應用,這中間要克服無數細節,但新科技也就因此才得以發展。」

郭瑞年目前專注的尖端研究在自旋電子學領域,她解釋,電子在導體裡彼此碰撞的現象會造成能量流失,現今科學家正嘗試開發出能有效利用電子自旋分流特性的新穎量子材料。

與物理的浪漫長跑中,熱情始終不減

郭瑞年對物理的熱情從學生時期開始,她從小就喜歡數學,也表現得相當好,在國中時遇見了一位女性物理老師,這位老師把物理解釋得清楚明白,郭瑞年學得熱血沸騰,更自願擔任班級的「物理小老師」為同學們解惑,樂此不疲,成為了她日後投入科研的契機。

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郭瑞年分享了自己的研究和生命故事,言談間對物理的熱情表露無遺。圖/劉志恒攝影

大學進入物理系繼續探索,郭瑞年微笑且自信地說自己是個自動自發的人,無論光學、熱學、力學,都超前了授課進度,將自己完完全全浸泡在物理世界中。她強調預習的重要,認為若能課前預習,正式課程便如同複習,如此一來,考試時就輕鬆了。

求學階段磨練的一身本領,到貝爾實驗室後終於大展身手。郭瑞年形容,貝爾實驗室就像金庸武俠小說裡的江湖門派,一公里長的走廊兩側都是實驗室,每扇門後都是一位身懷獨門絕招、內功高強的異士,各式儀器、奇思怪想漫盈整座貝爾實驗室,裡頭的科學家日以繼夜鑽研「武功」、投入研究。郭瑞年說:「每天走進去,都能聽見(自己)心臟『砰砰砰!』的聲音。」懷抱對物理的喜愛,郭瑞年在貝爾實驗室,日日皆滿腔熱血,一刻不減。

貝爾實驗室。sourece: english Wikipedia

郭瑞年也將熱情與投入當成伴手禮,從貝爾實驗室直送回台灣,期望培養更多絕世高手科學家。早在投入高溫超導體研究的1987 年至 1993 年間,她就常往返台灣交流。一直到 2003 年貝爾實驗室大幅縮小編制,成了推動她與夫婿洪銘輝教授回台的力量。臨行前,老闆慷慨地捐贈了整套 MBE 儀器與系統,期望郭瑞年能將手上的研究技術帶回祖國,讓台灣能在此高科技產業也有好的發展,於是,夫婦二人便回國繼續從事尖端半導體元件的創新研發。

友善的社會氛圍,有助於女科學家的養成

儘管對物理的熱情至今不減,郭瑞年也坦言,即使對她來說,在成為科學家的陡坡上,仍偶而碰到澆熄滿腔熱血的冰水迎面潑來。1981 年,她剛加入貝爾實驗室時,美國東岸風氣比較保守,女性與亞洲人屬於弱勢族群,易遭不平等對待與歧視。郭瑞年在初建實驗室時,需要頻繁與工班團隊溝通,並負責監工,有段時間工班進度落後,她提醒工班經理得盡快蓋好實驗室以便開始研究,他們卻揶揄:「如果你要工程有進展的話,最好趕快開始穿裙子!」事後工班經理雖遭糾正但毫無悔意,隔天見到郭瑞年時,又開了不適當的玩笑。

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除了這般外顯的行為,無形的歧視氛圍也包圍著她。郭瑞年坦言:當時貝爾實驗室同儕以男性居多,同性之間會邀請彼此參與活動並給予專業上的建議,而居於少數的女性,則較不容易打入科學界的社交圈,也少了許多獲取資源的機會。「社交和互動的缺乏若不改善,久而久之也會影響女科學家繼續往上爬的動力與機會。」郭瑞年解釋。

貝爾實驗室後來便發起「Mentor 導師制度」,主動關心女科學家的實驗內容,互相交流不同的科學資訊。郭瑞年回台灣後,在物理學會女性工作委員會裡也推動了導師制度,每年邀請女性科學家交流,讓前輩主動給予後進學術上或是專業生涯上的建議,替走上陡峭學術之路的女科學家,增加友善的推動力。

郭瑞年認為,在資質上,任何性別都沒有先天差異;在專業方面,女科學家在各領域也都相當卓越;於制度上,漸漸對於女科學家也越來越友善。例如,目前各大學給予助理教授升等的期限約為六年,但有部分學校針對升等期間生育小孩的女性助理教授,則會再給予兩年的「緩衝時間」,讓女科學家能夠從容地規劃生育,而也能夠有餘裕經營工作。

由於台灣社會的風氣,對於「物理」的既定印象也會影響新一代物理學研究者的培育。郭瑞年觀察,因為重視產業與產值,社會大眾普遍認為,物理讀到碩士學位,就足以在職場獲得不錯的工作跟收入,並不鼓勵繼續攻讀博士。但產業工作往往無法充分發揮物理專業人才的潛力,有興趣進一步鑽研物理的人才也可能因此放棄更上層樓,錯失了更多開創新領域研究的契機。

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「有點可惜。」郭瑞年嘆息地說。

無關乎獲獎的肯定或者收入,對郭瑞年來說,單單物理新發現的喜樂,便足以充飽她不懈投入研究、以及培育人才的動力,「希望慢慢從這邊培養訓練新的年輕人才,把這個新科技在台灣深耕,為未來做基礎。」

從臺灣大學、史丹佛大學、貝爾實驗室,再回到台灣,郭瑞年讓全世界得以深窺物理法則的奧妙、加速頂尖技術發展,但在這些之外,她追求極致、無畏險阻的決心,早已超越了「女科學家」的標籤,不停歇地朝著前人未至之境而去。

台灣傑出女科學家獎邁入第 15 年,台灣萊雅鼓勵女性追求科學夢想,讓科學領域能兩性均衡參與和貢獻。想成為科學家嗎?妳絕對可以!傑出學姊們在這裡跟妳說:YES!:https://towis.loreal.com.tw/Video.php

本文由 台灣萊雅L’Oréal Taiwan 為慶祝「台灣傑出女科學家獎」15周年而規劃,泛科學企劃執行。

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為何電子元件已經做了塗膠防護處理,仍會發生腐蝕甚至導致產品失效?
宜特科技_96
・2023/12/22 ・5635字 ・閱讀時間約 11 分鐘

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電子元件發生腐蝕
圖/宜特科技

像電動車、充電樁使用於車用、工業用與戶外級別的電子產品,因應使用環境電子元件都需要採用三防膠塗佈保護,才能防止污染、腐蝕等問題。但為什麼,產品即便已經做了塗膠防護處理,仍會發生硫化腐蝕最終導致故障呢?原因可能就出在「膠」選得不對!

本文轉載自宜特小學堂〈為何已採用三防膠塗佈的電子產品,仍然發生硫化腐蝕失效〉,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!

選對三防膠材材有效 影片
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近年來,伴隨環保概念提升與綠能意識抬頭,燃油類設備機具減少、電子產品數量增加,生活中最常見的就是電動車和充電樁變得越來越多。由於這類電子硬體設備會長期待在室外環境,加上日趨嚴重的空氣污染威脅,腐蝕性氣體、水分、污染物、懸浮微粒會直接或間接地造成產品中的元件生鏽或腐蝕,就會發生故障影響產品的使用壽命。而三防膠就是為了加強保護電子元件、延長設備壽命、確保安全性與可靠性所誕生的一種塗料。

一、 什麼是三防膠(Conformal Coating)?哪些產品特別需要使用三防膠?

有三防膠塗佈的電路板。圖/百度百科

三防膠又稱三防漆,跟大家概念中的膠或是漆有點像,它是常用於電路板上的一種特殊塗料。三防膠具有良好的耐高低溫特性,經由三防膠塗佈的電路板會產生一層「透明聚合物薄膜」,就能維持電路板外形並保護好電子元件,達到「防濕氣」、「防污」、「防腐蝕」的效果,因此才被稱為「三防」膠。

前面有談到,因應全球環境變化,電子產品卻越來越多元、越來越精密的條件下,現代電子硬體設備不僅擁有高性能,還需要具備抵抗惡劣環境的能力,像是應用在工業、車用、航太、戶外級別的電子產品,例如:資料中心、工業電腦、電動車、儲能站與低軌衛星等等……。

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這些產品比起一般家電的使用環境更加嚴苛,尤其在面對含硫化氣體污染高的環境,特別容易造成「硫化腐蝕現象」,因此在製程中,電子元件必須做好三防膠塗佈處理、提升產品可靠度是非常重要的事。

什麼是「硫化腐蝕」跟「爬行腐蝕」?

硫化腐蝕(Sulfur Corrosion):當空氣污染物中含有豐富的硫化合物,會導致許多工業器件上各種金屬與合金材料的表面產生嚴重的腐蝕現象,若伴隨其他氣體污染物的存在,會導致氣體協同效應進而產生不同硫化腐蝕的特徵與機理。富含硫的氣體,如硫化氫(H2S)、環八硫(S8)與二氧化硫(SO2)就是一般常見造成電子設備發生硫化腐蝕的氣體。

爬行腐蝕(Creep corrosion):爬行腐蝕是屬於硫化腐蝕其中一種的失效機理,典型的案例在印刷電路板與導線架封裝元件最為常見。由於裸露的金屬銅接觸到環境中硫化物的腐蝕性氣體,會進行反應生成硫化亞銅(Cu2S)的腐蝕產物,一旦電子產品表面清潔度不佳或環境有氯氣存在時,其固體腐蝕物將會沿著電路與阻焊層/封裝材料表面遷移生長的過程,導致相鄰焊盤和電路間的電氣短路失效現象,我們稱之為爬行腐蝕的失效模式。

印刷電路的爬行腐蝕
印刷電路的爬行腐蝕。圖/Barry Hindin, Ph.D, Battelle Columbus Operations
導線架封裝元件的爬行腐蝕
導線架封裝元件的爬行腐蝕。圖/Dr. P. Zhao, University of Maryland

當電子產品發生硫化腐蝕,會導致設備發生短路或開路的故障風險,像發生在印刷電路板或導線架封裝的爬行腐蝕(下圖一、圖二、圖三),或是表面貼裝被動元件的硫化腐蝕(下圖四),都是十分常見的案例。

電路板發生爬行腐蝕及硫化腐蝕失效的照片
(1)與(2)為印刷電路板的爬行腐蝕失效,(3)為導線架封裝的爬行腐蝕失效,(4)為表面貼裝晶片電阻的硫化腐蝕特徵照片。圖/宜特科技

二、 電子產品該選擇哪種方式做防護處理?

為了有效地隔絕惡劣環境對電子設備的影響,除了前面提過三防膠(Conformal Coating)的處理手法,一般也會採用灌封(Potting)來處理。下表是灌封與三防膠的差異比較。

方法灌封三防膠
保護性中-優
加工與
重工性
劣(氣泡殘留、重工困難)
品管檢驗劣(外觀不可視)優(外觀可視)
應用性劣(侷限)優(輕薄)
環保
範例
圖/Epoxyset Inc.
圖/Charged EVs
灌封與三防膠處理方法之比較。表/宜特科技

雖然灌封比三防膠保護性更好,但並非所有電子元件都能用灌封處理,灌封在作業前必須考量電子元件,會因為加工的熱應力、固化收縮應力、氣泡殘留等等產生影響,也要評估較多的產品設計條件,包括:尺寸、外殼、重量、熱管理、加工、重工、檢驗、成本與環保等因素,才能確認該產品是否適合做灌封處理。

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而三防膠的加工快速、重工容易與成本較低的優點,既可以提升產品抗腐蝕的能力,又可維持印刷電路板的外形而不影響後續的組裝作業,可以說三防膠的泛用性會比灌封來得更高。

所以當電子設備需要在惡劣的環境運作,或是終端電子設備發生腐蝕失效時,三防膠通常是組裝、系統廠商針對電子產品腐蝕的問題會優先採用的方案,廠商可以直接管控三防膠塗佈製程的品質,能夠針對終端客戶退回產品時進行立即性的改善作業。

三、 原來三防膠有很多種?

目前三防膠的種類主要可分為八大類,包含:Silicone Resin(SR)、Acrylic(AR)、Polyurethane(UR)、Epoxy(ER)、Paraxylylene(XY)、Fluorine-carbon resin(FC)、Ultra-Thin Coatings(UT)與 Styrene Block Co-Polymer(SC)。一般三防膠的種類可依照材質區分種類,然而混合型的三防膠材則是以重量百分比佔高的材質為主,如果三防膠的厚度 ≤12.5um ,膠材將不受材料種類的拘限都被歸類於 UT 型。每一種三防膠都有不同的特性,常見的評估項目有厚度、黏著性、耐溫性、抗化學性、防潮性、加工與重工性、普遍性、疏孔性、耐鹽霧腐蝕性、表面絕緣電阻程度與成本高低等。

四、 為何已經採用三防膠塗佈的電子產品仍發生了硫化腐蝕失效,原因竟是國際規範不足?

一般業界針對三防膠的國際規範,大多是參照國際電子工業聯接協會(Association Connecting Electronics Industries;IPC) 所制定的試驗標準 – IPC-HDBK-830A、IPC-CC-830C 與 IPC-J-STD-001F。這幾項標準都是一般常見於三防膠相關的國際規範,它們定義了三防膠的設計、選擇與應用的準則,用於焊接電氣和電子組件要求,以及用於印製線路組件用電氣絕緣化合物的鑑定及性能。

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常見三防膠相關的國際規範
一般常見三防膠相關的國際規範。圖/IPC-HDBK-830A, IPC-CC830C and IPC-J-STD-001F

而針對三防膠的驗證項目,包括了:種類、厚度、均勻性、缺陷、重工、應用、耐溫溼度環境、耐鹽霧、表面絕緣電阻等。其它與三防膠有關的標準還有 IPC-A-610H、IEC-1086-2、MIL-I-46058C、MIL-STD-202H、Method 106、NASA-STD-8739.1、BS5917、UL94、UL746F 與 SJ 20671……許多的國際規範。

然而在眾多三防膠國際規範的耐腐蝕性項目評估中,卻獨缺了「腐蝕性氣體的試驗」,尤其是在含硫與其化合物相關的腐蝕性氣體。因此,一旦產品的使用環境含有硫或硫化合物相關的腐蝕性氣體,即使電子設備已採用三防膠塗佈,仍會發生硫化腐蝕失效的問題。

此外,電子設備中也不是所有組件皆可以採用三防膠的塗佈,由於膠材具備絕緣的特性,一般均無法塗佈於電性連接、電器接點處,例如:金手指、插槽與連結器等。下圖是有採用與未採用三防膠塗佈的導線架封裝晶片發生與未發生硫化腐蝕的照片。

未採用三防膠塗佈採用三防膠塗佈採用三防膠塗佈
導線架發生嚴重的硫化腐蝕膠材的抗硫化腐蝕能力不足製程的缺陷(氣泡)導致保護不足
導線架發生嚴重的硫化腐蝕膠材的抗硫化腐蝕能力不足製程的缺陷(氣泡)導致保護不足
導線架發生嚴重的硫化腐蝕膠材的抗硫化腐蝕能力優異膠材的抗硫化腐蝕能力優異
導線架發生嚴重的硫化腐蝕膠材的抗硫化腐蝕能力優異未採用三防膠塗佈
採用與未採用三防膠塗佈的導線架封裝晶片發生與未發生硫化腐蝕的照片。圖/宜特科技

五、 不是有塗或是夠厚就好,透過驗證平台選擇出正確的三防膠材才有效!

透過上述的說明可以了解,如果只是按照規範去選擇三防膠材後進行塗佈,可能會遺漏腐蝕性氣體或是其他因素的影響,無法讓產品獲得最完善的保護。為了解決窘境,宜特科技所提供的硫化腐蝕驗證平台,可以協助廠商選擇正確的三防膠材,並針對各種採用三防膠塗佈的電子產品,評估產品抗硫化腐蝕的能力並進行壽命驗證。

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透過宜特實驗室的硫化腐蝕驗證平台評估各種三防膠材搭配不同厚度在硫化腐蝕試驗的耐受性
透過宜特實驗室的硫化腐蝕驗證平台評估各種三防膠材搭配不同厚度在硫化腐蝕試驗的耐受性。
圖/Source: Dem Lee…Et al.,“Evaluation of the Anti-Sulfur Corrosion Capacity for Chip Resistor and Conformal Coating by Way of Flower-of-Sulfur(FoS)Methodology”, International Microsystems, Packaging Assembly and Circuits Technology Conference 2018, Section 28, 2018.

上圖為透過宜特實驗室的硫化腐蝕驗證平台,評估各種三防膠材搭配不同厚度條件在硫化腐蝕試驗的耐受性。其中未經三防膠塗佈的抗硫化晶片電阻樣本(黑色),經歷 25 天的試驗後發生失效,但塗佈膠材 C(綠色)與膠材 D(藍色)的樣本,僅僅經歷 5 到 10 天的試驗就發生了失效。

由此可證,並非所有三防膠材都有具備抗硫化腐蝕的能力,抗腐蝕能力主要取決於膠材本身的材料特性,某些特定膠材非常容易吸附含硫與其化合物相關的腐蝕性氣體,即使提高厚度,也無法有效降低硫化腐蝕的發生,即便電子零件本身有做抗硫化腐蝕的設計,一旦選擇不合適的膠材,反而會加速電子產品發生硫化腐蝕失效的風險。

下表是採用相同樣本搭配不同的三防膠材,經硫化腐蝕試驗後,進行橫切面的掃描式電子顯微鏡分析之比較。可以看到,雖然膠材 B 的塗佈厚度比膠材 A 更厚,但是膠材 B 抗硫化腐蝕的能力卻更差。

三防膠膠材 A膠材 B
厚度<30um>100um
電子顯微鏡照片三防膠材A三防膠材B
抗硫化腐蝕的能力
採用相同樣本搭配不同三防膠材料塗佈經硫化腐蝕試驗後進行橫切面的掃描式電子顯微鏡分析之比較。圖/宜特科技

藉由宜特實驗室的硫化腐蝕驗證平台,不但可以協助選擇正確的膠材,亦可針對採用各種三防膠塗佈的電子產品,依照國際規範標準,並以實際終端環境的腐蝕程度搭配模擬使用年限,透過上述客製化的實驗設計,能夠協助廠商評估產品抵抗硫化腐蝕的壽命驗證。

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本文出自 www.istgroup.com。

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宜特科技_96
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【2023 諾貝爾物理獎】什麼是「阿秒脈衝雷射」?能捕捉到電子運動的脈衝雷射?
PanSci_96
・2023/11/28 ・5966字 ・閱讀時間約 12 分鐘

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林俊傑《江南》:「相信愛一天,抵過永遠,在這一剎那凍結了時間」

這一剎那持續了多久?這出自佛經的時間單位有多個解讀,其中最短,可以對應的國際單位制是阿秒。 1 阿秒又有多快呢? 1 阿秒等於一百萬兆分之一秒,是已經短到不行的飛秒的千分之一。在這段時間,別說是談戀愛了,連世界上行動最快的光,也只能移動一顆原子直徑的距離。

在阿秒的時間尺度裡,連光都得停下腳步,過去我們認為捉摸不定的電子,也終於將在我們眼前現身。 2023 年的諾貝爾物理學獎,正是頒給了三位帶領人類進入阿秒領域,探索全新世界的科學家。而這項技術,還可能讓電腦的運算速度加快一萬倍!

就讓我們一起來進入阿秒的領域吧,領域展開!

什麼是阿秒脈衝雷射?

今年諾貝爾物理學獎的三位得主分別是 Pierre Agostini 、 Ferenc Krausz 、和 Anne L’Huillier ,表彰他們對阿秒脈衝雷射實驗技術的貢獻。

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圖/X

所謂的阿秒脈衝雷射,指的是持續時間僅有數十到數百阿秒的雷射。當我們能使用脈衝雷射來觀察目標,就好比使用快門時間極短的相機對目標拍照,能捕捉到瞬間的畫面。

2018 年的諾貝爾物理學獎,就頒給了極短脈衝雷射的研究。短短 5 年後,雷射領域再次得獎,但這次是更快的阿秒雷射,能捕捉到電子運動的超快脈衝雷射。

世界上沒有東西能真正的觸碰彼此?看見電子能帶來什麼突破?

為什麼看見電子的運動那麼重要呢?我們複習一下原子的基本構造,在原子核之外,帶有微小負電荷的電子,被帶正電的原子核束縛住。量子力學告訴我們電子沒有確切的位置,而是以特定的機率分布在原子核周圍的不同地方,也就是所謂的電子雲。

圖/YouTube

雖然電子的體積比原子核小很多,但電子雲的範圍,卻占了原子體積的絕大部分。在物理或化學反應中,真正和其他原子產生交互作用的,幾乎都是這些外面的電子。在電影《奧本海默》中,當男女主角手心貼著手心,奧本海默這時卻說:「世界上沒有東西能真正的觸碰彼此,因為我們觸摸到的物體,都只是其中原子的電子雲和我們手上的電子雲產生的斥力。」

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圖/screenrant

對了,這種話也只有奧本海默跟五條悟可以講,一般人請不要隨便亂牽別人的手。

除了和心儀的他牽手,不同的電子排列狀態也會直接影響物質的化學活性、材料的導電導熱等基本性質,各種化學和物理過程都和電子息息相關。從非常實際的層面來說,電子可以說是物質世界最重要的基本單位。所以不難想像,如果我們能看見電子,甚至獲得可以操縱個別電子排列與能量的技術,我們能真正成為材料的創世神,許多不可能都將化為可能,是相當重大的突破。

捕捉電子運動有多困難?

但要操縱電子可不是什麼簡單的事,不只是因為電子非常小,更重要的是他們動得非常快。具體來說,電子在原子周圍跳動的週期時間尺度大約是十的負十八次方秒,也就是一阿秒。一顆原子的大小約是十的負十次方公尺,速度等於距離除以週期,換算下來,電子雲差不多是以光速等級的速度在原子核周圍跳動。

圖/wikipedia

如果要捕捉到阿秒尺度的電子運動,就必須將實驗的時間解析度也提升到阿秒等級,否則就會像是用長曝光鏡頭拍攝亞運競速滑冰比賽一樣,只能拍到一團糊糊的影像,而沒辦法分出勝負。

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可是,在 1980 年代,脈衝雷射最快只能達到十的負十五次方左右,還只有飛秒等級。而且光靠當時的技術和材料優化,已經沒辦法再縮短脈衝時間了,因此這時候,就要從原理上重新打造一套方法了。

如何製造更快的脈衝?

首先,要製造更快的脈衝並不是用頻率更高的電磁波就好。你想,我們在拍照時,想要讓曝光時間更短,要改善的不是把室內光源從可見光改成頻率更高的紫外光,而是調快快門的開闔速度,讓光一段一段進入感光元件中,變成影片一幀一幀的畫面。而這一段一段進入像機的光訊號,就像是我們的脈衝。

不論是皮秒雷射、飛秒雷射還是阿秒雷射,一直以來在做的都是同一件事,在整體輸出功率不變的情況下,讓每一次脈衝的持續時間更短,同時單一次的功率也會更高。簡單來說,就是要從無數次的普通攻擊,變成每一次都是集氣後再攻擊。

但要怎麼為光集氣呢?光和其他波動一樣,可以和其他波動疊加。把不同頻率的光疊加在一起,波峰和波谷會抵消,波峰遇上波峰則會增強。只要用特定的比例組合許多不同頻率的光,就可以在整體總能量不變的情況下,產生一個超級窄的波峰,其他地方全部抵銷。

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1987 年,本次諾貝爾獎得主之一的 Anne L’Huillier 教授發現,當紅外線雷射穿過惰性氣體時,氣體會被激發放出整數倍頻的光。也就是氣體放出許多不同頻率的光,而這些頻率都是原本光源頻率的整數倍,從兩倍三倍到三十幾倍以上的高倍頻光都有。而橫跨這麼大頻率範圍的光,就能組合出時間長度很短的脈衝光。

不過這聽起來未免也太好康了,真的有那麼簡單嗎?

這個看似魔法的實驗背後其實有著相當簡潔的物理圖像。電子原本是被電磁力束縛在原子中,當一道強度夠強的雷射通過氣體原子,原本抓住電子的電位能被雷射削弱。

雖然這道牆只是矮了一些可是還是存在,但此時,在電子的大小尺度下,量子力學發揮了作用。調皮的電子有機會透過量子穿隧現象,穿過這道束縛,暫時逃離原子核的掌控。關於量子穿隧效應的介紹,我們近期也會再做一集節目來專門介紹。

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但電子還來不及逃遠,雷射光已經從波谷翻到波峰。電磁波的波谷與波峰,不是指能量的高和低,而是指方向相反。因此在相反的電磁場方向下,不幸的電子被推回原子核附近,再度被原子核捕獲。但在這欲擒故縱、七擒七縱的過程後,電子並非一無所獲,他所得到的動能會以光的形式重新放出。

而因為這些能量最早都來自雷射,因此電子放出的光波長,也剛好會是雷射的整數倍。再說的細一些,你可以理解為這些電子在吸收一顆顆光子後,一口氣釋放這些能量,所以能量都是一開始光子的整數倍。

在 1990 年代,科學家已經掌握了這個現象背後的原理。但一直到千禧年過後。這次諾貝爾獎得主之一 Pierre Agostini 教授和他的研究團隊才終於在適當的實驗條件之下,利用高倍頻光打造出了一連串寬度只有 250 阿秒的脈衝。同時第三位得主 Ferenc Krausz 也使用不同方法,分離出 650 阿秒的脈衝。

最後,獲得阿秒脈衝這個祕密武器之後,我們的世界將迎來哪些變化呢?

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阿秒脈衝在各領域的應用

其實啊,有在關注諾貝爾獎都知道,諾貝爾獎通常不會頒給時下正夯的新興研究,前面講的研究,實際上都已經是二十多年前的往事了,而這些辛苦的科學家會在這麼多年後拿下諾貝爾獎的榮耀,正是因為阿秒雷射的發明經過了時間的考驗,成為非常普及的實驗技術,而且被大家公認為重要的科學貢獻。

當然,今年生醫獎的 mRNA 是個超快例外,有興趣的話,別忘了點擊下方影片,看看編劇都編不出來的 mRNA 研究歷程。

說了那麼多,阿秒雷射究竟對人類生活有什麼幫助呢?當然,它能讓我們更深刻了解物質還有光的本質,但是除了幫電子拍下美美的照片放在期刊的封面上,阿秒雷射可以用來做什麼?

在過去這二十年,許多研究已經找到了相當有潛力的應用。

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舉例來說,在醫療方面,阿秒雷射可以用來分析血液或尿液樣本。控制良好的超短脈衝可以精準的刺激生物樣本中的各種有機分子,讓這些分子震動並放出紅外線訊號。如果使用的脈衝長度太長,分子釋放的訊號就很容易和原本施加刺激的雷射混在一起,造成量測的困難。唯有阿秒等級的超短脈衝能夠實現這樣的量測。

這些紅外線光譜就像是質譜儀一樣,能幫助我們快速分析血液中的蛋白質、脂質、核酸等重點物質的關鍵官能基狀態。並透過機器學習的方式整合,成為個人化的健康狀態報表,或是做為診斷的依據,將精準醫療提升到全新的層次。

圖/attoworld

不只如此,發送超短脈衝的技術也可能革新當今的電腦運算。電腦運作的方式就是利用電晶體這種微小的開關,不斷的開開關關去發送一跟零的訊號,所以開關電流的速度便決定了你的運算速度。以半導體為基礎的電晶體,工作頻率通常不超過上百 GHz ,在時間上也就是十的負十一次方秒。

自從阿秒雷射技術普及之後,就有科學家想到:既然雷射脈衝的速度更快,那不如就別用半導體了,改用光學脈衝來控制電流作為運算的媒介。這個概念叫做光學電晶體(Optical Transistor)。

今年初,亞利桑那大學的團隊便發展示了如何利用小於十的負十五次方秒的超短雷射脈衝,來開關電流並傳送一與零的位元,這個頻率比現有半導體電晶體快了一萬倍以上。這顯示了光學方法的操作頻率可以有多快,或許能讓我們突破訊號處理和運算上的速度瓶頸。

看完這些便可以理解,阿秒等級的超快雷射脈衝的確是相當近代的一個科學里程碑。就像是科學革命時望遠鏡和顯微鏡的發明,讓人們看見那些最遠和最小的事物,超快脈衝用最快的時間解析度,讓我們看到許多人類從未看過的景象。

阿秒脈衝雷射的出現,是科學上的一個里程碑,讓我們能用更高的時間解析度,讓我們看到許多過去從未看到的景象。最後也想問問大家,在雷射這一塊,你最期待有哪些應用,或者最希望我們接著來講哪個主題呢?

  1. 為什麼醫美、眼科手術那麼喜歡用飛秒、阿秒雷射,真的有比較好嗎?
  2. 使用雷射脈衝的光學電晶體真的有可能取代傳統電晶體嗎?
  3. 除了光學電晶體,最近很夯的矽光子技術,聽說裡面也有用到雷射,可以一起來介紹嗎?

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第三類寬能隙半導體到底在紅什麼?
宜特科技_96
・2023/10/30 ・4510字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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寬能隙半導體晶片
圖/宜特科技

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!

宜特科技 第三類寬能隙半導體到底在閎什麼 影片連結
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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?

半導體能帶與能隙示意圖
半導體能帶與能隙示意圖。圖/宜特科技

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」

能帶因電子流動產生導電特性
能帶因電子流動產生導電特性。圖/宜特科技

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。

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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。

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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。

特性Si 矽SiC(4H)
碳化矽
GaN
氮化鎵
Ga2O3(β)
氧化鎵
Diamond
鑽石
能隙(eV)1.13.33.44.95.4
遷移率
(cm2/Vs)
1400100012003002000
擊穿電場強度
(MV/cm)
0.32.53.3810
導熱率
(W/cmK)
1.54.91.30.1420
半導體材料的物性比較。圖/宜特科技

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。

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(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。

功率元件與相關材料的應用範圍
功率元件與相關材料的應用範圍。圖/英飛凌

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。

特斯拉充電樁
多家車廠加入特斯拉充電網路。圖/特斯拉

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。

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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。

SEM及SCM分析的量測圖
使用 SEM 剖面觀察 SiC 元件的結構,搭配 SCM 分析 N/P 型與擴散區的量測。圖/宜特科技

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。

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使用 DB-FIB 觀察 GaN 元件的剖面結構與 EDS 成份分析,搭配 SIMS 分析摻雜濃度
使用 DB-FIB 觀察 GaN 元件的剖面結構與 EDS 成份分析,搭配 SIMS 分析摻雜濃度。圖/宜特科技

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。

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