沒有取代前兩代技術,第三代半導體「正確名稱」該怎麼叫?

作者 | 發布日期 2021 年 11 月 05 日 16:54 | 分類 晶圓 , 晶片 , 材料、設備 Telegram share ! follow us in feedly


全球搶攻第三代半導體商機,也是台灣半導體產業重視的領域,但有專家指稱「第三代半導體」其實來自中國,且含中國對半導體產業的野心,所以建議台灣產官學界應該「正名」,但如果要改,該怎麼稱呼?

中國取名為第三代半導體,主要是為了與第一代半導體、第二代半導體區分,並成為化合物半導體領域的佼佼者。

第一代半導體材料是「矽」(Si)、「鍺」(Ge),第二代半導體是「砷化鎵」(GaAs)和「磷化銦」(InP),第三代半導體主流材料為「碳化矽」(SiC)和「氮化鎵」(GaN)。

從「代」區分的話,會讓人誤以為是第一代、第二代技術累積甚至取代前兩代技術,但事實上,SiC 和 GaN 早在 40~50 年前就開始發展,直到 2000 後才開始投入市場。

此外,第一代半導體比的是「先進製程」,SiC 和 GaN 重點在於「晶圓材料」。旺宏電子總經理盧志遠也認為,SiC、GaN 無法取代第一代以 Si 為主的半導體,所以台灣不該跟中國一樣稱為「第三代半導體」。

第一代半導體、第二代半導體是什麼?

在講第三代半導體正名運動之前,先聊聊第一、二代半導體。

全球第一顆電晶體於 1940 年代問世,隨後半導體產業開始蓬勃發展。在 1950、60 年代,電晶體所採用的半導體材料多半是鍺(Ge),但由於鍺容易引發熱失控,之後逐漸被矽(Si)取代,造就了由積體電路(IC)為關鍵的微電子產業發展。

自從 1970 年貝爾實驗室發明了室溫半導體雷射之後,砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)成為市場新寵兒,這兩種材料電子遷移率高,同時具備高頻、低雜訊、高效率及低耗電等特性,開啟第二代半導體的時代,主要用於微波射頻通訊領域,例如衛星通訊、行動通訊、光通訊和 GPS 導航。

然而,隨著 5G、電動車時代來臨,目前 GaAs 和 Si 的溫度、頻率、功率已達極限,當溫度過高時,前兩種材料容易產生故障,加上全球開始重視碳排放問題,因此高能效、低能耗的「碳化矽」(SiC)和「氮化鎵」(GaN)成為新一代商機。

第三代半導體該怎麼正名?

目前,產業界認為應該跟國際統一,叫做「化合物半導體」(Compound Semiconductor)。

半導體材料依構成元素,可分為「元素半導體」(Si、Ge)以及「化合物半導體」(GaAs、InP、SiC、GaN),前者由單一的四價元素(有四個價電子)所形成,後者依週期表分類成「三五族半導體」、「四四族半導體」等二元化合物。

三五族材料由週期表三族、五族元素構成,四四族則都是四族構成。從圖中可知,GaAs、InP、GaN 為三五族半導體(紅框處),SiC 則是四四族半導體(藍框處)。

▲ 三五族材料由週期表三族、五族元素(紅框處)構成。(Source:維基百科

由於化合物半導體難以區分 GaAs、InP、SiC、GaN,所以也有人提出「第三類半導體」或「寬能隙半導體」(WBG)的說法。

第三類半導體顧名思義,就是跟前兩類半導體區分開來,至於寬能隙半導體,首先要了解能隙的概念。「能隙」(Energy gap)代表著「一個能量的差距」,意即讓一個半導體「從絕緣到導電所需的最低能量」。

Si、GaAs 屬於低能隙材料,數值為 1.12 eV 和 1.43 eV,而 SiC 和 GaN 能隙較高,達到 3.2eV、3.4eV,因此遇到高溫、高壓、高電流時,跟前者比起來不容易從絕緣變成導電,更適合應用在高電流、高壓環境下,例如 5G 和電動車領域。

等等,竟然還有「第四代半導體」

不過,第三代半導體正名運動尚未結束,產業界已經開始注意超寬能隙「氧化鎵」(Ga2O3)和鑽石等新一代材料,稱為「第四代半導體」(暫名)。

Ga2O3 因為基板製作比 SiC 與 GaN 容易,再加上擁有約 4.5~4.9eV 的超寬能隙,能夠承受更高電壓,有望應用在超高功率元件領域,例如電動車、電力系統、風力發電機的渦輪等都是應用範圍。即使潛力極佳,Ga2O3 仍必須克服同質磊晶和異質磊晶問題,散熱方面也是一大問題。

隨著半導體產業持續發展、科技不斷進步,將有越來越多極具潛力的化合物半導體出現,「正名運動」除了避免名詞誤會,也應將不同類型半導體的考慮進去,到底該怎麼稱呼,值得台灣產官學界深思。

(首圖來源:shutterstock)

延伸閱讀: