一「矽」之間,半導體代言人走下神壇?

分享至

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

 
圖1 圖片出處 Wikimedia Commons 由矽為基礎組成的半導體元件,彷彿科技電子產品的大腦,負責記憶、運算、下指令,使電子產品能夠滿足人類的需求

 

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」。

圖2 圖片出處 Wikimedia Commons 圖片中上方水藍色部分為導帶,下方黃色處為價帶,紅色圓點表示電子。當電子能夠從價帶移動到導帶時,物質變能夠導電,但是當中間的能隙太大時,電子則無法移動到導帶。半導體的能隙不像絕緣體那麼大,若是透過施加電壓,其電子則可以穿過能隙到導帶,呈現導體般的性質。

 

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。

圖3 圖片出處 Wikimedia Commons 這是一幅以「刮畫」的方式呈現的作品,由西班牙浪漫主義畫派畫家法蘭西斯科·荷西·德·哥雅-路西恩特斯創作,透過黑色蠟筆塗滿畫部,再以刮除的方式呈現其畫作,目前收藏於美國克利夫蘭藝術博物館 (The Cleveland Museum of Art)。

 

圖4 圖片出處 Wikimedia commons 以二氧化矽作為保護層,透過蝕刻在晶圓上畫出需要的圖形,以利進一步在上頭設計電路。

 

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。

圖5 圖片出處 Wikimedia Commons 此為鑽石結構的原子排列方式,矽與鑽石皆以結構有序排列。

 

圖6 圖片出處Wikimedia Commons Crystalline 是單晶結構,可以看見原子有序的排列;Polycrystalline 則是多晶體,僅局部原子有序排列;Amorphous 是非晶結構,原子無序的隨機排列。矽則是單晶結構,科學家容易將材料放在矽晶圓上作應用。

 

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(me)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 me,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0.56me 及0.067 me。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。

圖7 圖片出處 Wikimedia Commons 圖中雖然車流量很大,但可以看見小巧的機車仍然可以移動到前面,當綠燈亮起,很快就能繼續前進。但後面的巴士,因為太大台移動不方便,或許一個紅綠燈的時間,它仍無法順利通過十字路口。電子的等效質量在矽當中移動就彷彿那台大巴士一樣,移動速度緩慢且容易塞車。

 

「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.
(Visited 1,006 times, 9 visits today)

分享至
views