銅導線材

在半導體技術發展初期的50年代，主要是以鍺元素為材料，不過鍺元素的耐高溫性不足、抗輻射能力差，以致在60年代後逐漸由矽元素取代其地位，矽在抗熱、抗輻射等表現上都優於鍺，適合用來製做大功率的積體電路。

到了近年來，隨著製程技術的不斷細密化，到了0.25um以下，積體電路在線路上的電阻電容延遲（RC-Delay）效應已增大到成為問題，使線路信號難以更快速傳遞，亦即電晶體導通、關閉的速率難以更快，並且線路間的串音雜訊干擾（Cross Talk Noise）也增加，這些問題約在時脈近1GHz時就會產生。

為了克服此一阻障，必須更換半導體信號線路的材料，從過往的鋁（Aluminum；Al）材換替成銅（Cooper；Cu）材，換材之後線路的電阻值降低，鋁的阻值為每公分2.8微歐姆（2.8uOhm/cm），銅則是1.7uOhm/cm，如此寄生RC問題獲得延緩，使晶片的時脈速率可進一步推升。同時，銅線路也有較佳的抗「電子遷移」能力，使晶片可以更久耐地運作。

在換材外，製造過程（製程）方面也必須搭配改變，過去鋁線是使用濺鍍方式製作，換成銅導線（Copper Wiring）後則使用電鍍方式製作，如此在程序成本上也更為精省。此外，由於銅的反應較為活潑，因此容易滲到矽基材中，也容易污染無塵室，這也使得製造過程中需要更多的謹慎控制。

《圖一　》

＜註：圖註：1998年IBM公司使用自有的CMOS 7S製程技術來產製晶片，圖中的晶片具有六層電路，並使用上銅導線技術，其中電晶體的通道長度僅0.12um。（資料來源：cc.ee.ntu.edu.tw）＞

矽絕緣材

晶片電路不斷縮密後，除了有前述的延遲問題外，另一個問題是漏電問題，漏電問題愈來愈嚴重的結果，是使晶片的功耗攀升，若舉實例而言，過去Intel的Pentium 4處理器，其總體功耗的1／4皆為漏電，只有3／4的用電是真正投入運算工作。

很明顯的，過去的矽基板絕緣層（Silicon on Silicon；SOS）已難以抑制漏電，需要換用新的絕緣材來強化，如此業界提出了矽覆絕緣（Silicon on Insulator；SOI）技術或是上覆矽技術，以二氧化矽（SiO2）為絕緣材，減緩漏電率的成長。

善用SOI技術的結果，可以降低晶片50％左右的功耗，今日不僅外用的行動電子產品講究省電，就連機房端的重度運算也講究省電，電力成為資料中心（Data Center）營運中，僅次於薪資的第二大開銷，因此在晶片日益強調省電特性下，SOI技術的重要性也持續增高。

《圖二　》

＜註：圖註：IBM為日本任天堂（Nintendo）的新世代電視遊樂器：Wii所設計、產製的中央處理器：Broadway（百老匯）即有使用上SOI製程技術。圖為IBM的無塵室工作者正在檢視Broadway晶片。（資料來源：IBM）＞

比較特別的是，業界也有人對SOI技術抱持不同看法，雖然矽絕緣抑制了漏電，但連帶也阻礙了熱消散，原因在於二氧化矽的熱傳導率低於50W/mk，而矽則是120W/mk，既然熱消散不易，也就連帶限制了晶片時脈的提升，因為更高頻率的運作會加速熱的產生。再者，絕緣的氧化物具有離子化傾向，受輻射所影響則容易誘發出額外的電流，使晶片內雜訊增加。

因此，也有人提出以鑽石為絕緣層的作法，稱為SOD（Semiconductor on Diamond），鑽石的本質為碳（Carbon；C），絕緣性佳（每公分阻值為10的16次方歐姆）、熱傳導率高（大於1200W/mk），可有效絕緣又可有效散熱。雖然如此，但SOI仍是一項具變革性的新材料作法，目前SOI主要是用氧植入（Separation by IMplantation of OXygen；SIMOX）法或氫植入法，其中氫植入法以法國Soitec的Smart Cut技術為主。

低介電質材

前面已述，銅導線技術在於降低RC-Delay效應，而銅線主要是降低R值，但對線路與線路間的C值卻沒有改善，為了改善線路間的絕緣效果，人們開始思索用新的絕緣材料來替代原有的SiO2絕緣材料，此方面的替代方案稱為低介電質（Low-k dielectric）技術。

所謂低介電質，其k值（介電係數）愈低則絕緣性愈高，SiO2的k值約在3.9～4.5間，而換替的可行材料包括氟矽玻璃（Fluorinated Silicate Glass；FSG）、黑鑽石（Black Diamond）、BLOK（Barrier Low k）等。

以FSG而言，事實上還有不同的製成方法，以化學氣相沈積法（Chemical Vapour Deposition；CVD）產生的FSG材質，可使k值達2.6～3.1；而使用旋轉式塗佈法（Spin-on Dielectric；SOD）的FSG材質，則更可低至2.0。無庸置疑地，最佳的低介電質是真空，其k值為1，乾燥的空氣則接近1，但因為不是固態物而無法使用。

高介電質、應變矽

除上述外，為了讓晶片有更快的效能，因而提出了高介電質（High-k）與應變矽（strained silicon）等技術，高介電質材料主要是替換原有位在閘極金屬電極與矽基板間的SiO2絕緣材，如此可使電晶體的導通、關閉更加快速，推估可比傳統SiO2作法快上60％，此外閘極的漏電也能降低（將絕緣層加厚），降低漏電就能減少功耗與發熱。不過目前高介電質技術仍有些方面不易突破。

至於應變矽方面，應變矽技術並非更替材料，晶圓基板材料依舊是矽，但卻改變矽原子結構的間距，使電子移動的速度增快，進而提升晶片的運作效率。

《圖三　》

＜註：圖註：Intel在其開發者論壇上提及用High-k材料取代現有的SiO2，做為電晶體閘極的絕緣層，使用High-k材料不僅可讓電晶體運作更快速，也有助於減少漏電。（圖片來源：www.intel.com）＞

太陽能板

由於石油將在數十年後用盡，使人們增加對太陽能發電、太陽電池（Solar Cell，或被稱為Photovoltaic Cell、PV Cell）等技術的關注度，其中太陽能發電中的太陽能板也是用半導體材料所製作。

目前太陽電池最廣泛使用的為矽材料，並可分成晶矽（Crystallin）與非晶矽（Amorphous；a-Si），其中晶矽還可再分成單晶矽（Single Crystalin）與多晶矽（Poly Crystalin），如此即有三種類型的材料：單晶矽、多晶矽、非晶矽，三種材料的光電轉換效率也各有差異，分別為12％～24％、10％～19％、1％～13％，而真正較常運用的是單晶與非晶，前者的轉換效率高而受青睞，後者則是成本低、製造容易而受用。

《圖四　德國西門子公司（Siemens）用單晶矽材料製成的太陽能基板》

要注意的是，非晶矽除純矽之外，也有化合性質的作法，如碳化矽SiC、鍺化矽SiGe、氫化矽SiH、氧化矽SiO等等。

除了矽為主體的太陽能基板，也有非矽的化合物作法，一樣區分成單晶類與多晶類，單晶類的材料為砷化鎵GaAs、磷化銦InP；多晶類則有硫化鎘CdS、碲化鎘CdTe、銅鍺化銦CuInSe、二鍺銅化銦／鎵Cu（In，Ga）Se2等等。非晶矽材料或化合物材料多用在薄膜技術製成太陽能板中。

附帶一提的，還有一種初展露、尚在研發的有機（Oganic）太陽能電池、奈米（Nano）太陽能電池，使用的材料為二氧化鈦TiO2，然而因為光電轉換率僅1％～4％，離實用化仍有一段距離。

無線射頻

無線射頻（Radio Frequency；RF）電路、積體電路、微波功率電路等所用的材料，必須從形成的基礎構造來討論，這包括電晶體（Transistor）、異質接面雙極電晶體（Heterojunction Bipolar Transistor；HBT）、金屬半導體場效電晶體（Metal-Semiconductor Field Effect Transistor；MESFET）、以及高電子遷移率電晶體（High Electron Mobility Transistor；HEMT，另稱為異質結構場效電晶體，Heterostructure FET；HFET）。

在具體材料上，電晶體用的是矽，HBT的基板部分使用SiGe、GaAs，其上的生成層則用AlGaAs、InP、InGaP，此外寬能隙（Wide-bandgap）的材料也備受矚目，如GaN、InGaN；MESFET則是GaAs、InP、SiC（從未使用純矽）；HEMT則是以「GaAs與AlGaAs」或「AlGaN與GaN」所構成。

除了材料外，基礎結構也有所不同，以Si為主材料若用於射頻電路中，多半採行BiCMOS的基礎結構，即是結合BJT與CMOS的結構特點而成，此稱為Si BiCMOS製程技術，射頻電路採行SiGe、Si BiCMOS等作法，在高頻運作時有較佳的表現。

另外，與HEMT相關的還有pHEMT（pseudomorphic HEMT）、mHEMT（metamorphic HEMT）等，使用的基板主材是GaAs，緩衝層則是AlInAs，通道材料則是GaInAs。

發光二極體

過去一般人認為發光二極體（Light Emitting Diode；LED）僅做為狀態燈號之用，但其實這只是可見光的部分，不可見光的紅外線LED、紫外線LED也各有用途，紅外線LED用於遙控器、保全裝置，紫外線則用於鈔票鑑識器、樹脂硬化、光催化等，最新的超短波長的遠紫外線LED則可望用在污染物分解、新型光儲存媒體讀寫、奈米科技等。

《圖五　運用紅光LED的照射使植物（農作物）增長，此種作法未來有可能運用在太空中生產食物。》

更進一步的，由於藍光技術成熟後，白光也成為可行，加上亮度表現的不斷提升，使LED的應用範疇逐漸提升，包括液晶顯示器的背光、電子照明等開始陸續採行LED。以下列出常見的LED發光材料：

值得注意的是，近年來為了因應LED持續提升亮度的需求，在（藍光LED）基板材料上也進行了多番變革，包括碳化矽SiC、藍寶石（Sapphire，三氧化二鋁，Al2O3）等，此外純矽的材料也相當受到關切，尤其基板不僅要與發光體搭配，還必須達到最高的透光率，以免阻礙發光體的亮度發揮。

《圖六　今日藍光LED所用的基板材料主要為碳化矽（SiC）或藍寶石（Sapphire，Al2O3），圖為藍寶石。》

當然，以上主要為無機類的LED，與LED相關的雷射二極體（Laser Diode；LD）、以及有機類的OLED、以及發光所用的螢光質、為增加亮度所嵌入的銀質等，則不在以上討論之列。

結論

毫無疑問的，無論是積體電路、太陽電池、無線微波、發光二極體等各種的半導體運用，都仍在製程與材料上進行精進、提升、與突破，甚至經常要在各種取向中權衡取捨，包括特性表現（導電、散熱、透光、速度、硬度、熱膨脹性）、製程難易度、材料成本等，進一步的還要規避他人的專利而達到相同目的，以及更外圍的封裝材料與技術搭配。然而技術的突破也使市場及應用更加寬廣，這也是半導體材料技術持續誘人與爭相投入的原因。