半導體是什麼？晶片產業一次看懂

【園丁按】

積電斥資在美國亞利桑那州鳳凰城興建5奈米先進製程晶圓廠，引起普遍關注，半導體是什麼？且看SEMI Taiwan所撰〈半導體是什麼？晶片產業一次看懂〉，整理如下：

  半導體元件是絕大多數現代科技應用的大腦與心臟，不管是人工智慧(AI)、5G或物聯網，甚至是我們天天都會用到的手機、電視、PC及各種家電產品，都離不開半導體元件。

1.         半導體是什麼？

  半導體是一種具有特殊物理性質的材料，電導率介於導體和絕緣體之間，可藉由外部施加電壓來改變材料的導電能力。我們常見的半導體，在不施加外部電壓的情況下，是不導電的；若對材料施加電壓，原本不導電的材料會變成導電材料，讓電流得以通過。

  半導體應用最早是環繞在「材料可以自由切換其導電與否」的特性發展出來的，多數現代電子產品的核心單元就是利用半導體的電導率變化來處理資訊。由半導體材料製成的積體電路(IC)，透過控制電流的通行或阻斷，在電腦中執行邏輯運算。

(1)半導體元件：IC的最小單位，有如半導體的「細胞」

半導體是一種材料的總稱，半導體元件則是使用半導體材料製作出來的元件。那麼，半導體元件有兩種：二極體(Diode)與電晶體(Transistor)。

  半導體元件可以視為一種開關，而開關則可以進一步細分成「單向開關」跟「雙向開關」兩種。二極體跟電晶體之間最大的區別就在於：

  二極體是單向開關，即便開關打開，也只有單一方向的電流可以通過；

電晶體則是雙向開關，只要開關打開，兩個方向的電流都可以流通。

  因此，對於設計IC這類複雜電路的工程師而言，如何在電路裡面巧妙地對電晶體跟二極體進行排列組合，實現設計人員想要的功能，就是最基本的能力。

常見的半導體材料

(2)元素半導體 - 矽(Si)

  半導體材料種類繁多，我們最常聽到、應用也最普及的，是基於矽的半導體。矽是地球上隨處可見的元素，不僅容易取得且價格低廉。這使得矽在發展半導體技術初期便自然而然地成為主流材料，直到現在仍是最具商業應用影響力的半導體材料。

(3)化合物半導體(Compound Semiconductor)

  由化合物構成的半導體材料，其中化合物通常由兩種以上元素的原子構成，依構成的元素不同，具備不同的材料特性。

3-1 砷化鎵(GaAs)：電子移動率比矽更快，具高頻特性，且耐高電壓、高溫。特別適合應用於需要極高開關速度的元件，例如射頻(RF)元件，在5G時代有極高的發揮空間。

3-2 氮化鎵(GaN) 、碳化矽(SiC)：這兩個寬能隙化合物半導體，都具有比矽更高的操作頻率，而且因為能隙更寬，可以耐受更高的電壓，所以在大功率傳輸應用方面被視為極具發展潛力的新秀，也因此在電動車爆紅之後，進入大眾視野成為熱門科技關鍵字。

4.半導體產業的重要關鍵：半導體製程

  半導體製程或許是一般人最常聽到的半導體術語之一，尤其是製程節點(Process Node)，例如28奈米、7奈米等。但半導體製程一詞，其實涵蓋了製造IC的一整個流程、數百道加工步驟。

  半導體製程步驟可以粗分成微影、蝕刻、沉積、摻雜與平坦化等實際在晶圓上製造出電路的製程步驟，以及穿插在這些步驟之間的清洗製程，統稱為前段製程。晶圓製作完成後，還需要經過切割、測試、封裝等後段步驟，才會變成我們所看到的晶片。

(1)半導體製程-晶圓尺寸為成本關鍵

  半導體製程中最花時間的就是前段製程。一張空白晶圓從投片到生產完畢，短則數十天，長則超過一百天。因此，一片晶圓上能製造的晶片數量越多，理論上生產效率就越高，成本也越便宜。

  要在單一晶圓上生產更多晶片，有兩種方法。一是用更大尺寸的晶圓來生產，另一個則是把晶片尺寸做小，讓一片晶圓上可以塞進更多晶片。但前者會涉及到十分複雜的製程控制問題，設備投資也極其昂貴，因此在晶圓生產線進入12吋世代後，遲遲未能走向18吋世代。因此，製程微縮變成現階段提高晶片生產效率、降低成本的主要方式。把電路做得更細小，意味著晶片的尺寸也會跟著縮小，從而能在一片晶圓上生產出更多晶片。

(2)半導體製程-先進製程與成熟製程的劃分