一「矽」之間，半導體代言人走下神壇？

半導體與我們生活息息相關，絕大部分科技產品都是由半導體製成，而半導體中最具代表性的材料便是「矽」。矽是地球含量最多的元素之一，因它獨特的物理性質，包含單晶結構及容易形成二氧化矽，豐富了半導體的應用，開啟了人類的「矽時代」。但在追求更高運算速度的時代中，矽不再能夠滿足人們的需求，因為矽是個又胖又怕熱的元素，電子在矽中有著過大的等效質量，使得電子無法在矽中間快速的穿梭，且當電子產品溫度提高後，電子便會在矽裡頭大塞車。

撰文｜黃鼎鈞

 

矽如何成為半導體產業的代表材料？

半導體是一種介於導體與絕緣體之間的物質，在導體中電子可以自由地流動，於絕緣體中電子則無法自由傳遞，半導體便是透過施加電壓使電子流動，若不施加電壓時電子就無法流動。下圖是我們時常用來說明導體、半導體、絕緣體性質的概念圖，下面黃色部分是價帶、上面水藍色是導帶，當電子能夠從價帶移動到導帶時，便能夠導電。圖中可以看見導體（金屬）的價帶與導帶之間沒有間隙（其間隙代表的是能量的差距，我們稱它為能隙），因此電子可以自由的移動至導帶，絕緣體則因為能隙太大，電子無法穿越到價帶。半導體材料中存在有間隙但並不大，可以透過施加電壓可以將電子推到價帶去，使得半導體也能夠導電，換句話說，半導體可以在導體與絕緣體的兩個性質中透過施加電壓來作切換，成為一種電流的「開關」。

 

如何將半導體元件透過不同的排列，組合成相應的電路，以達到產品的需求，這就是IC（Integration Circuit）工程師要傷腦筋的事情。最起初被發現具有半導體特性的單一物質有鍺（Ge）與矽（Si），後續也有化合物形成的氮化鎵（GaN）及砷化鎵（GaAs）等等。

具備半導體性質的材料不在少數，為何矽能成為半導體的代言人？成本的考量上，矽是地球第二豐富的的礦產物質，僅次於氧原子。人們相對容易取得矽，因此矽晶圓的生產成本較低廉。在產品的應用上，矽的化學結構具有相當的熱穩定性，不易因溫度變化而改變其性質，其熔點可達 1414°C 的高溫，相比一般導體金屬僅有 400°C 至500°C 高上許多。矽在空氣中表面容易形成二氧化矽（SiO₂），形成後的化學結構仍相當穩定。另一方面，鍺與氧結合後質地變得脆裂，便不容易被使用。二氧化矽是絕緣體的材質，當它覆蓋在矽晶圓表面時，不只成為了矽晶圓的保護層，更可以透過蝕刻二氧化矽製作不同的圖案。將不同電極放上在矽晶圓後，二氧化矽就成為了彼此之間的天然屏障，使電極之間不會互相干擾，因此方便工程師在矽晶圓上製作不同的電路圖案。相信大部分人小時候都玩過「刮畫」，概念是在畫布上一層塗料，再用牙籤將所要的圖形「刮」出來。若矽晶圓是一個畫布，二氧化矽便是上頭的塗料，「刮」的這動作就是半導體製程中所說的「蝕刻」，當我們將二氧化矽依電路圖案刮除後，根據圖案放上「電極」就能透過電壓對底下的矽作「開關」的調控，此外，因為有二氧化矽作為絕緣層阻隔彼此的干擾，可以設計多個不同的開關，形成不同的電路設計。如此一來，容易在表面形成二氧化矽的矽晶圓，便成為了電路設計的絕佳刮布。

 

 

矽晶圓不只是一個天然的刮布，更是一個質地均勻的畫布，有如藝術家可以順暢地將顏料畫在上畫布且不易脫落，也就是能讓科學家順利地將不同的材料放在矽晶圓上而應用，因為矽晶圓是一個單晶結構，且因其排列的模式與鑽石相同，又被稱為鑽石結構。我們可以將材料分類成非晶、多晶及單晶材料，如下圖所示，非晶的結構裡頭的原子以不規則的方式排列，多晶的結構中，僅局部原子有秩序地排列，單晶結構則是全數原子沿著相同的排列規則來作連結。因此，不同的材料容易被附著在矽晶圓上，就像質地均勻的畫布容易附著顏料一樣，若坑坑洞洞的畫布則不容易附著顏料。自然界的單晶材料非常稀少，且造價昂貴，如紅、綠寶石或鑽石，可見矽是如此不可多得的元素。

 

 

無法在半導體獨占鰲頭了嗎？因為它又胖又怕熱！

現今科學家仍持續尋找不同的半導體材料，為什麼矽無法滿足現代人的需求呢？因為矽是一個又胖又怕熱的傢伙！新的科技產品追求更快的運算速度，與半導體材料的「載子遷移率」有關，電子是主要的載子之一，遷移率則代表電子能以多快的速度在材料中運輸，而載子遷移率與材料的等效質量有關。一般我們生活中講到的質量，也可以用來代表物質與重力場間的互動，質量越大的東西也承受更多的重力，相仿的概念被應用在了解電子在材料中的行為，等效質量越大，代表電子與材料結構內產生之電場的作用力越大。靜止電子（m_e）的質量是 9.11 ×10−³¹  kg，電子在材料中行進的等效質量則是將靜止的電子質量乘上一個比值，通常介於0.1到10之間。電子在矽裡頭的等效質量是1.09 m_e，相比於其他半導體材料大上許多，舉例來說，鍺和砷化鎵中電子的有效質量僅有0.56m_e 及0.067 m_e。因此，當我們追求更高運算速度的電子產品時，矽就出現了限制。

除此之外，相信許多讀者都曾經有筆電過熱導致運轉速度變慢的經驗，因為當半導體溫度升高的時候會使導電度增加，原因是因為電子的動能變大，就更容易從價帶移動到導帶，因此原本應該是「關閉」的開關，可能就變成是「開啟」的開關，造成元件在運算上產生了失誤。另外，導電度增加並不代表遷移率會上升，我們可以試想，在矽原子裡等效質量大的電子彷彿路上的大巴士，若一堆大巴士同時出現在一條路上，路上的交通鐵定不會太順暢；反之，若電子的有效質量小，就像是機車穿梭在台北市一樣，相對順暢快速。

 

「矽」使得科技迅速發展，帶給人們便利的生活，一矽之間，卻又無法滿足人類對高速傳輸的期待。期待在不久的將來，科學家能夠找到「更嬌小又不怕熱」的半導體材料，電子在當中可以快速運輸，又不會因為高溫而減速，我們就能擁有運轉更快速又不需加裝散熱器的輕型電腦了！

 

參考資料：

1. 半導體製程技術導論(第三版) 作者： 蕭宏 出版社：全華圖書
2. Effective mass (solid-state physics), Wikipedia, The Free Encyclopedia.
3. Crystallite, Wikipedia, The Free Encyclopedia.