化學與半導體

劉子晨 周宜縉 王鼎鈞 廖祿凱 謝明偉 劉紀顯 陳順義 鄭行凱 李韋廷 鄭名洪

本篇報告主要分為以下三大部分（一）簡介歷史原理（二）應用製程積體電路產業

（三）發展光學有機及最新期刊之學術研究在第一部分就半導體之歷史原理介紹接著進

入應用的第二部分其中將應用最廣之積體電路獨立出來第三部分則介紹除了傳統無機半導體

之外的光學及有機半導體最後揭示於德國化學期刊所刊登之最新半導體量子點研究成果

一半導體的發展歷史 周宜縉

1-1 半導體材料的發現(~1900)

半導體工業濫觴於十九世紀的實驗科學電學

之父法拉第(Michael Faraday1791-1867)在 1833 年

首先發現硫化銀(silver sulfide)的電阻會隨溫度的上

升而降低其後的四十多年間半導體材料其它的

主要特性也陸續被發現

(1)整流的效應 1835 年羅森索爾德 (MA

Rosenschold)發現電流在固體傳導中的非對稱現

象但其結果卻未受到重視直到 1874 年德國

學者布萊恩(Ferdinand Braun1850-1918)注意到某

些硫化物(如方鉛礦)的導電率與所加的電壓方向有

關才確定了半導體的整流特性(2)光伏特效應

1839 年亞歷山大˙愛德蒙˙貝克勒爾(Alexandre

Edmond Becquerel1820- 1891)發現半導體材料和電

解質放一起時中間相連的部份(junction)在照光

後會產生一個電壓即為光伏特效應(3)光電導效

應1873 年英國的史密斯(Willoughby Smith)注意

到硒晶體在照光後電阻會下降換句話說透過光

照可以增加半導體材料的導電率此即為半導體

的光電導效應上述三種特性再加上法拉第一開始

所發現的電阻和溫度成反比的特性電晶體的命名

者皮爾森(Gerald Pearson)與發明者布萊登(Walter

Brattain)將之稱為半導體的四項特徵事實上在

發現半導體材料的年代裡科學家並不是用「半導

體」來稱呼這些介於金屬與非金屬之間的材料「半

導體」這一名詞的使用是直到 1911 年才由柯尼斯

伯格(JKonigsberger)和外斯(IWeiss)兩人所提出

1-2 半導體材料的早期應用(1900~1940)

半導體材料最早的應用是貓鬚偵測器 (cats

whisker detector現稱為點接觸二極體)利用一根

細的金屬線和半導體晶體接觸在兩者的接觸面上

會產生一個不完美的 junction即可用來偵測無線

電波在這之後整流器光伏特電池與紅外光偵測

器也陸續出現為之後二極體電子元件的發展奠定

基礎然而在貓鬚偵測器出現不久後真空管也

被發明出來(1904 年弗萊明發明了真空二極管)由

於貓鬚偵測器不像真空管一樣具有放大訊號的功

能再加上本身的穩定度不如預期其後續相關的

研究因而沉寂下來直到二次世界大戰前後由於

雷達的使用與量子力學的突破半導體研究才又再

向前跨出一大步

圖一貓鬚偵測器

雷達是利用高頻電磁波的反射原理來偵測金屬

物體因此若要建立一個有效的雷達系統必須要

能產生與偵測反射回來的高頻率電磁波雖然真空

管有放大訊號與偵測訊號的能力但由於其體積較

大電容較大所能使用的頻率不夠高在此方面

的應用受到限制促使科學家另外尋找其它替代材

料體積小電容小的貓鬚偵測器遂成為了新的研

究題材

1-3 電晶體的時代(1940~1960)

1930 到 1940 年代間科學家無不想盡辦法要做

固態的放大器對於科學發展頗有遠見的貝爾實驗

室(Bell Lab)研究部門主管凱利(Mervin J Kelly

1894 -1971)在 1945 年 7 月成立了固態物理的研

究部門由蕭克萊(William Shockley1910-1989)和

莫根(Stanley Morgan)負責主持ㄧ開始該實驗室

的成員巴丁 (John Bardeen1908-1991) 與布萊登

(Walter Brattain1902-1987)在矽的表面滴上水滴

並與塗了蠟的鎢絲接觸之後再施加一伏特的電

壓發現流經接點的電流會增加但若想得到足夠

的放大功率則相鄰兩接觸點的距離要接近到千分

之二英吋以下於是布萊登在一塊三角形塑膠的角

上貼上金箔用刀片在上面切出一條細縫形成兩

個 距 離 很 近 的 電 極 ( 加 正 電 壓 的 稱 為 射 極

(emitter)負電壓的則為集極 (collector)而在塑膠

下方的鍺晶體則作為基極 (base))形成一個點接觸

電晶體 (point contact transistor)而這也是歷史上第

一個出現的點接觸電晶體1947 年 12 月 23 日巴

丁(John Bardeen1908-1991)與布萊登便利用這個新

發明的點接觸電晶體作成了一個語音放大器這天

遂成為電晶體正式發明的重要日子而巴丁布萊

登與其上司蕭克萊也因為電晶體的發明與結型電

晶體效應的發現在 1956 年獲得諾貝爾物理獎

其中巴丁又因超導物理的研究在 1972 年拿了第

二次的諾貝爾物理獎成為第一個拿到兩次諾貝爾

物理獎的人

圖二由左至右Bardeen Shockley Brattain

然而除了蕭克萊布萊登與巴丁對半導體研究

的貢獻外在當時還有許多研究人員也在這領域上

辛勤耕耘例如同樣也在貝爾實驗室工作的歐爾

(Russell Ohl)他是第一個做出 p-n 結整流元件的

人沒有他的 p-n 結元件就不可能有結型晶體的

出現(因為結型電晶體是利用兩個被靠背的 p-n 結

所做出來的)因此電晶體的出現可說是許多科學

家長年辛苦努力的結晶

1-4 積體電路(1960~1970)

電晶體出現後的下一個重要發明便是積體電

路所謂的積體電路就是將許多分立的元件(如電晶

體二極體電阻電容等電子元件)製作在同一

片半導體晶片上而形成的電路此一類似概念英

國的莫爾文(Malvern) 早在1952年就已經提出只

是當時並未獲得英國政府的大力支持而未有突破

性的發展1958年任職於德州儀器的基爾比(Jack

SKilby1923-2005)用鍺當作電阻再用一塊p-n結做

電容做出了一個震盪器的電路開啟了積體電路

的時代

圖三Jack SKilby

同年快捷半導體公司(Fairchild Semiconductor)

的何尼(Jean Hoerni)發展出製作電晶體的平面製程

技術(planar technology)隔年同公司的諾宜斯

(Robert Noyce1927-1990)便提出利用蒸鍍金屬

微影蝕刻等方法來連結晶片上所有的電晶體元

件並在1961年4月拿到「半導體元件和連線結構」

的專利

基爾比諾宜斯也因在半導體產業上的重大發

明而和晶體管之父蕭克萊並列為20世紀半導體產

業最偉大的發明家事實上諾宜斯最早是在蕭克

萊的公司工作但在1957年時離開蕭克萊的公司另

謀出路成立快捷半導體公司1968年因和快捷

總公司意見不合遂離開快捷創立了世界最大的半

導體公司--英特爾(Intel)

圖四Robert Noyce(Photo by Liane Enkelis)

1-5 超大型積體電路(1970~)

當積體電路元件越來越多發展到某一程度

時即被稱為超大型積體電路例如一個晶片有超

過10萬個元件即可被稱為超大型積體電路1969

年英特爾公司的霍夫(Macian EHoff)有了設計世

界上第一個微處理器的想法而這個想法在1971年

11月15日被實現了英特爾公司設計出第一個微處

理器4004此晶片當時被稱為單晶片微程式電腦

(micro-programmable computer on a chip)隔年才取

名為微處理器(microprocessor)微處理器4004是由

一個四位元的平行加法器十六個四位元的暫存

器一個儲存器 (accumulator)與一個下推堆疊

(push-down stack)所組成的總共使用了約二千三

百個電晶體之後電晶體使用數目更多功能更

強的微處理器陸續出現時至今日英特爾公司所

製造的微處理器Pentium IIIPentium 4和Pentium M

已經包含了千萬個以上的電晶體了

這個階段的重要發明除了微處理器之外另

一 個 就 是 記 憶 器 晶 片 1967 年 IBM 的 迪 納

(RHDennard)發明了可以儲存一個位元的記憶單

元整個單元只包含一個電容器與一個電晶體之

後許多公司陸續生產出可以儲存更多位元的記憶

器晶片例如英特爾公司在1969年推出256位元的

隨身存取記憶器這個記憶器是利用矽閘極P通

道金氧半電晶體技術所做出的由於結構簡單密

度又高動態隨機存取記憶器的發展更是半導體技

術發展的一項重要指標

(1)真空管 (2)電晶體

(3)積體電路 (4)超大型積體電路

圖五電子元件的變遷

1-6 半導體研究與產業在台灣的發展

介紹了半導體的發展歷史後最後要談談半導

體研究與其產業在台灣的發展1960年代左右台

灣開始了半導體的研究1964年交通大學成立了全

國第一座電晶體實驗室並在隔年5月成功自製矽

平面式的電晶體其電流放大率約為50多倍截止

頻率(約為每秒五億週)和當時一般電視機與收音機

所用的電晶體相比也高出許多1966年更製造出全

國第一枚的積體電路

圖六製造第一批雙極性矽平面電晶體的研究團隊

(左起郭雙發湯敏雄張俊彥夏禮中張瑞夫博

士吳清斌)

而台灣早期的半導體工業是以電晶體裝配為

主1975 年在政府支持下成立了工業技術研究院電

子研究所1977 年該所的示範工廠落成開始試製

積體電路1982 年由該所衍生出的聯華電子公司

開始進行積體電路的生產之後許多半導體設計公

司陸續成立如今半導體產業的產值每年可達新

台幣 10000 億以上其產業之蓬勃發展由此可見

1-7 小結

從法拉第發現半導體材料至今不過短短一兩

百年但這一兩百年間半導體的發展猶如坐上

噴射機般的快速向前從最早的整流偵測器後來

的電晶體進而到現在的積體電路或超大型積體電

路其進步變化的時間越來越短也越來越快對

社會造成的衝擊與影響更是前所未見的日常生活

中常用的電器電腦電視電話冰箱與汽車hellip

等全都和它有關因此生活在這個充斥著半導體

時代的我們有必要充分了解半導體發展的來龍去

脈並從前人的知識經驗中繼續創新發展

二半導體之原理 王鼎鈞 廖祿凱

2-1導電性簡介

所有材料依導電性來分類可分為導體絕緣

體以及半導體導電能力與其自由電子密度(n 值)

成正比良好導體之自由電子密度約 1028個 e-m3

絕緣體約 107個 e-m3半導體則介乎此二值之間

室溫時電阻率約在 10-5～107 歐姆之間溫度升高時

電阻率則減小

當一固體材料之價帶（valence band）尚未被自

由電子填滿亦或該材料之傳導帶（conduction

band）與價帶疊合(無能階差)則稱此固體材料為導

體假若一固體材料之價帶與傳導帶之間有著某種

程度的能階差異而使得電子無法輕易躍遷至傳導

帶則其為絕緣體材料然而導電性介於兩者之

間價帶與傳導帶間能量相差不大的材料則稱為半

導體材料

材料的導電性是由傳導帶中所含有的電子數

量來決定當電子從價帶獲得能量跳躍至「傳導帶」

時就可以在帶間任意移動而導電一般常見的金

屬因導電帶與價帶之間的「能隙」極小室溫下很

容易導電而絕緣材料則因為能隙很大（通常大於

9eV）所以無法導電

下圖所示為原子間距與能隙之理論關係圖

十四族元素中因材料中原子間距的不同而使得

碳屬於絕緣體而矽屬於半導體

一般半導體的能隙約為 1 至 3eV因此只要給

予適當的能量激發或是改變其能隙間距就能導

電

2-2 半導體的分類

半導體材料依其構成元素可分為元素半導體

（ element semiconductors）以及化合物半導體

(compound semiconductors)兩大類矽(silicon Si)

和鍺(germanium Ge) 是最常用的元素半導體由單

一的四價元素所形成常見化合物半導體則包括

IV-IV 族化合物半導體（如碳化矽 SiC矽鍺合金

等）Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體（如砷化鎵 GaAs氮化

鎵 GaN磷化鎵 GaP砷化銦 InAs 等二元化合物

砷化鋁鎵 AlGaAs磷化銦鎵 GaInP氮化銦鎵

GaInN磷砷化銦鎵 InGaAsP 等三四元化合物）

Ⅱ-Ⅵ族化合物半導體（如硫化鎘 CdS鍗化鎘

CdTe硫化鋅 ZnS 等）氧化物 (錳鉻鐵銅

的氧化物)以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物

組成的固溶體（鎵鋁砷鎵砷磷等） 除上述晶態

半導體外還有非晶態的如玻璃半導體有機半導

體等

矽是目前工業中最主要的半導體材料因其在

地球表殼中存量豐富又能在上面生成良好的氧化

層適合大規模的積體電路的製作其他的半導體

則依其特性各有不同的用途例如Ⅲ-Ⅴ族半導體有

優良的發光特性及快速的電子傳導特性因此在光

電產業及通訊電子方面就舉足輕重

2-3 半導體的結構

矽為最常見的半導體材料矽為第十四族的元

素具有與鑽石(diamond)相同的晶體結構鍺亦為

第十四族的元素也具有鑽石的晶體結構鑽石晶

體結構如下列圖所示其結構遠比簡單立方體結構

複雜的多

Fig-鑽石結構 1 Fig-鑽石結構 2

Fig-鑽石結構 2 可以看成是兩個相同的面心

立方晶格在沿著對角線方向相錯四分之一個對角

線長度排列

鑽石結構中其原子皆為同一種原子如矽

或鍺而閃鋅礦(zincblende)結構不同於鑽石結構

其晶格中包含相異的兩種原子如下圖所示鋅化鎵

的化合物半導體即具有閃鋅礦的結構

鑽石結構與閃鋅礦結構的重要特徵皆為其原

子會互相連結而形成四面體(tetrahedral)的結構在

Fig-閃鋅礦結構圖中即可清楚的看出每個鎵元子

被相鄰四個最近的砷元子包圍反之每個鎵元子

被相鄰四個最近的砷元子包圍

並非所有的化合物半導體都是閃鋅結構有

一些Ⅱ-Ⅵ族化合物半導體例如硫化鎘及硫化鋅

等形成以六方晶格為基礎之烏采(Wurtzite)結構

較閃鋅結構緻密

2-4 本徵半導體

不含雜質且無晶格缺陷的半導體稱為本徵半

導 體 有 時 也 稱 作 固 有 半 導 體 (intrinsic

semiconductor)對應於摻有雜質的非固有半導體

(extrinsic semiconductor)

在極低溫度下半導體的價帶是滿帶受熱激

發後部分電子會越過禁帶進入能量較高的空帶

空帶存在電子成為導帶價帶缺少一個電子形成一

個帶正電的空位稱為空穴這個過程稱為產生

(Generation)其所需之最小能量稱作帶溝(band gap)

EG所吸收的能量可以是晶格的振動能（熱能）

光子的能量（輻射）或高速粒子的能量

導帶中的電子和價帶中的空穴合稱電子-空穴

對均為載流子在外電場作用下產生定向運動而

形成宏觀電流分別稱為電子導電和空穴導電這

種由於電子-空穴對而形成的混合型導電稱為本徵

導電

有高能傳導電子較不穩定經歷一段時間會

以光或熱等形式來釋放能量繼而掉回價電帶中碰

到電洞有機會結合形成填滿的共價鍵並放出和

帶 溝 差 不 多 的 能 量 這 個 過 程 稱 為 復 合

(Recombination)釋放出的能量變成電磁輻射（光）

或晶格的熱振動能量（熱）

Fig-閃鋅礦結構

由生至滅之期間稱壽命電子電洞對由產生至

復合消失的平均時間稱平均壽命又名生命週期

(life cycle)

電子電洞對在復合時速度與質量皆不同之二

粒子將結成一體因此除了釋放能量外尚須滿足

動量不滅方能結合由此復合可分成「直接復合」

(direct recombination) 與 「間 接 復 合 」 (indirect

recombination)兩類直接復合見於III-V族化合物半

導體材料其傳導電子可直接由傳導帶落入價電

帶復合時所釋放之能量如為光則稱光輻射復

合此類材料(如GaAs)可做發光二極體或雷射二極

體等光電元件如為熱則稱熱輻射復合有些材

料(如矽和鍺)因無法滿足動量守恆故傳導電子與

電洞不能直接復合必須先迂迴地轉至所謂的復合

中心(recombination centers位於能隙之間)稱為

間接復合間接復合僅能以熱的形式來釋放能量

因此矽半導體無法被製成發光元件

在熱平衡的狀態下一個未經摻雜的本質半導

體電子與電洞濃度相等即

n = p = ni

n 及p分別代表純半導體中之導電電子及電洞的濃

度或稱固有濃度(intrinsic concentration)ni則是本

質 半 導 體 的 載 子 濃 度 (intrinsic carrier

concentration)ni 是溫度T 的函數

A是一常數與材料種類有關以矽為例27degC時

ni = 145times1010載子cm3矽的原子密度約為5times1022

原子cm3

在無電流且定溫之情形下半導體材料中任一

處之『傳導電子濃度與電洞濃度之乘積』為一定

值即

與位置無關且無關是否摻雜稱作群體作用定律

(mass-action law)和酸鹼溶液中氫離子與氫氧根離

子的濃度乘積為一定值類似溫度升高平均被破

壞的共價鍵變多固有電子電洞的濃度增加導電

度增加在一定溫度下產生和復合同時存在並達

到動態平衡此時半導體具有一定的載流子密度

從而電阻率也一定

雖然電子電洞對一直在演變但是傳導帶內總是維

持著2個傳導電子

無晶格缺陷的純淨半導體電阻率較大實際應

用不多

2-5 摻雜

2-5-1 P 型與 N 型

半導體通常採用矽當導體因矽晶體內每個原

子貢獻四個價電子不同於導體電子被緊緊地束

縛在原子核附近使傳導率相對降低當溫度升高

時晶體的熱能使某些共價鍵變的不完全即所謂

的電洞成為電荷的載子

矽晶體結構 失去一個共價鍵矽晶體

利用高溫來增加載子濃度乃不實際做法因所

能增加之載子濃度實在過於微少純質半導體的特

性可以藉由植入雜質的過程而永久改變這個過程

通常稱為「摻雜」（doping）然而不可因摻入雜質

而破壞四面體之鑽石結構因此摻雜的原則是雜質

必須與4A族元素相近且摻入量應甚小

摻雜物濃度對於半導體最直接的影響在於其

載子濃度當將少量的三價或五價原子加入純矽

中就形成有外質的(extrinsic)或摻有雜質的(doped)

半導體

依摻入原子可分為施體與受體分述如下

1 施體(N 型)

摻入的雜質為五價電子原子如磷(P)砷(As)和

銻(Sb)所添入原子取代矽原子且其第五個價電

子成為不受束縛電子即電流載子因其貢獻一個

額外的電子載子故稱為施體(donor)電子是N型

材料的多數載子(majority carriers)電洞則是少數載

子(minority carriers)

被一個五價原子取代後的晶格

2 受體(P 型)

摻入的雜質為三價電子原子如硼(B)鎵(Ga)

和銦(In)此時僅可填滿三個共價鍵第四個空缺

形成一個電洞故稱為受體(acceptor)電洞是 P 型

材料的多數載子(majority carriers)電子則是少數載

子(minority carriers)

被一個三價原子取代後的晶格

一個半導體材料有可能先後摻雜施體與受

體必須視摻雜後的半導體中何者為此外質半導

體的「多數載子」來決定此外質半導體為 n 型或 p

型和多數載子相對的是少數載子在半導體中的

行為有著非常重要的地位假如半導體中同時摻雜

有施子與受子則較多數種類摻雜的載體會先將較

少數種類摻雜的載體中和（或復合）掉稱做補償

(compensation)因此一個 n 型半導體只要在其中

再摻雜入比原來施子濃度高的受子就可以形成 p

型半導體

摻雜濃度非常高的半導體因導電性接近金屬

而被廣泛應用於今日的積體電路來取代部份金

屬高摻雜濃度通常會在n或p後面附加一上標的

「+」例如n + 代表摻雜濃度極高的n型半導體反

之例如p - 則代表摻雜濃度極低的p型半導體即使

摻雜濃度已經高到讓半導體「退化」（degenerate）

為導體摻雜物的濃度和原本的半導體原子濃度比

起來還是差距極大摻雜濃度在 1018 cm-3以上的半

導 體 通 常 會 被 視 為 是 一 個 「 簡 併 半 導 體 」

（degenerated semiconductor）不管是n型或p型半

導體只要外界沒有加入或移除其中的載體則它

依舊維持電中性因為雜質在提供載體的同時本

身會帶一個和載體電性相反的電荷

2-5-2 摻雜對能帶的影響

摻雜之後的半導體能帶會有所改變依照摻雜

物的不同半導體的能隙之間會出現不同的能階

施體原子會在靠近傳導帶的地方產生一個新能

階而受體原子則是在靠近價帶的地方產生新能

階假如摻雜硼原子進入矽則因為硼的能階到矽

的價帶之間僅有 0045 eV遠小於矽本身的能隙

112 eV所以在室溫下就可以使摻雜到矽裡的硼原

1-3 電晶體的時代(1940~1960)

1930 到 1940 年代間科學家無不想盡辦法要做

固態的放大器對於科學發展頗有遠見的貝爾實驗

室(Bell Lab)研究部門主管凱利(Mervin J Kelly

1894 -1971)在 1945 年 7 月成立了固態物理的研

究部門由蕭克萊(William Shockley1910-1989)和

莫根(Stanley Morgan)負責主持ㄧ開始該實驗室

的成員巴丁 (John Bardeen1908-1991) 與布萊登

(Walter Brattain1902-1987)在矽的表面滴上水滴

並與塗了蠟的鎢絲接觸之後再施加一伏特的電

壓發現流經接點的電流會增加但若想得到足夠

的放大功率則相鄰兩接觸點的距離要接近到千分

之二英吋以下於是布萊登在一塊三角形塑膠的角

上貼上金箔用刀片在上面切出一條細縫形成兩

個 距 離 很 近 的 電 極 ( 加 正 電 壓 的 稱 為 射 極

(emitter)負電壓的則為集極 (collector)而在塑膠

下方的鍺晶體則作為基極 (base))形成一個點接觸

電晶體 (point contact transistor)而這也是歷史上第

一個出現的點接觸電晶體1947 年 12 月 23 日巴

丁(John Bardeen1908-1991)與布萊登便利用這個新

發明的點接觸電晶體作成了一個語音放大器這天

遂成為電晶體正式發明的重要日子而巴丁布萊

登與其上司蕭克萊也因為電晶體的發明與結型電

晶體效應的發現在 1956 年獲得諾貝爾物理獎

其中巴丁又因超導物理的研究在 1972 年拿了第

二次的諾貝爾物理獎成為第一個拿到兩次諾貝爾

物理獎的人

圖二由左至右Bardeen Shockley Brattain

然而除了蕭克萊布萊登與巴丁對半導體研究

的貢獻外在當時還有許多研究人員也在這領域上

辛勤耕耘例如同樣也在貝爾實驗室工作的歐爾

(Russell Ohl)他是第一個做出 p-n 結整流元件的

人沒有他的 p-n 結元件就不可能有結型晶體的

出現(因為結型電晶體是利用兩個被靠背的 p-n 結

所做出來的)因此電晶體的出現可說是許多科學

家長年辛苦努力的結晶

1-4 積體電路(1960~1970)

電晶體出現後的下一個重要發明便是積體電

路所謂的積體電路就是將許多分立的元件(如電晶

體二極體電阻電容等電子元件)製作在同一

片半導體晶片上而形成的電路此一類似概念英

國的莫爾文(Malvern) 早在1952年就已經提出只

是當時並未獲得英國政府的大力支持而未有突破

性的發展1958年任職於德州儀器的基爾比(Jack

SKilby1923-2005)用鍺當作電阻再用一塊p-n結做

電容做出了一個震盪器的電路開啟了積體電路

的時代

圖三Jack SKilby

同年快捷半導體公司(Fairchild Semiconductor)

的何尼(Jean Hoerni)發展出製作電晶體的平面製程

技術(planar technology)隔年同公司的諾宜斯

(Robert Noyce1927-1990)便提出利用蒸鍍金屬

微影蝕刻等方法來連結晶片上所有的電晶體元

件並在1961年4月拿到「半導體元件和連線結構」

的專利

基爾比諾宜斯也因在半導體產業上的重大發

明而和晶體管之父蕭克萊並列為20世紀半導體產

業最偉大的發明家事實上諾宜斯最早是在蕭克

萊的公司工作但在1957年時離開蕭克萊的公司另

謀出路成立快捷半導體公司1968年因和快捷

總公司意見不合遂離開快捷創立了世界最大的半

導體公司--英特爾(Intel)

圖四Robert Noyce(Photo by Liane Enkelis)

1-5 超大型積體電路(1970~)

當積體電路元件越來越多發展到某一程度

時即被稱為超大型積體電路例如一個晶片有超

過10萬個元件即可被稱為超大型積體電路1969

年英特爾公司的霍夫(Macian EHoff)有了設計世

界上第一個微處理器的想法而這個想法在1971年

11月15日被實現了英特爾公司設計出第一個微處

理器4004此晶片當時被稱為單晶片微程式電腦

(micro-programmable computer on a chip)隔年才取

名為微處理器(microprocessor)微處理器4004是由

一個四位元的平行加法器十六個四位元的暫存

器一個儲存器 (accumulator)與一個下推堆疊

(push-down stack)所組成的總共使用了約二千三

百個電晶體之後電晶體使用數目更多功能更

強的微處理器陸續出現時至今日英特爾公司所

製造的微處理器Pentium IIIPentium 4和Pentium M

已經包含了千萬個以上的電晶體了

這個階段的重要發明除了微處理器之外另

一 個 就 是 記 憶 器 晶 片 1967 年 IBM 的 迪 納

(RHDennard)發明了可以儲存一個位元的記憶單

元整個單元只包含一個電容器與一個電晶體之

後許多公司陸續生產出可以儲存更多位元的記憶

器晶片例如英特爾公司在1969年推出256位元的

隨身存取記憶器這個記憶器是利用矽閘極P通

道金氧半電晶體技術所做出的由於結構簡單密

度又高動態隨機存取記憶器的發展更是半導體技

術發展的一項重要指標

(1)真空管 (2)電晶體

(3)積體電路 (4)超大型積體電路

圖五電子元件的變遷

1-6 半導體研究與產業在台灣的發展

介紹了半導體的發展歷史後最後要談談半導

體研究與其產業在台灣的發展1960年代左右台

灣開始了半導體的研究1964年交通大學成立了全

國第一座電晶體實驗室並在隔年5月成功自製矽

平面式的電晶體其電流放大率約為50多倍截止

頻率(約為每秒五億週)和當時一般電視機與收音機

所用的電晶體相比也高出許多1966年更製造出全

國第一枚的積體電路

圖六製造第一批雙極性矽平面電晶體的研究團隊

(左起郭雙發湯敏雄張俊彥夏禮中張瑞夫博

士吳清斌)

而台灣早期的半導體工業是以電晶體裝配為

主1975 年在政府支持下成立了工業技術研究院電

子研究所1977 年該所的示範工廠落成開始試製

積體電路1982 年由該所衍生出的聯華電子公司

開始進行積體電路的生產之後許多半導體設計公

司陸續成立如今半導體產業的產值每年可達新

台幣 10000 億以上其產業之蓬勃發展由此可見

1-7 小結

從法拉第發現半導體材料至今不過短短一兩

百年但這一兩百年間半導體的發展猶如坐上

噴射機般的快速向前從最早的整流偵測器後來

的電晶體進而到現在的積體電路或超大型積體電

路其進步變化的時間越來越短也越來越快對

社會造成的衝擊與影響更是前所未見的日常生活

中常用的電器電腦電視電話冰箱與汽車hellip

等全都和它有關因此生活在這個充斥著半導體

時代的我們有必要充分了解半導體發展的來龍去

脈並從前人的知識經驗中繼續創新發展

二半導體之原理 王鼎鈞 廖祿凱

2-1導電性簡介

所有材料依導電性來分類可分為導體絕緣

體以及半導體導電能力與其自由電子密度(n 值)

成正比良好導體之自由電子密度約 1028個 e-m3

絕緣體約 107個 e-m3半導體則介乎此二值之間

室溫時電阻率約在 10-5～107 歐姆之間溫度升高時

電阻率則減小

當一固體材料之價帶（valence band）尚未被自

由電子填滿亦或該材料之傳導帶（conduction

band）與價帶疊合(無能階差)則稱此固體材料為導

體假若一固體材料之價帶與傳導帶之間有著某種

程度的能階差異而使得電子無法輕易躍遷至傳導

帶則其為絕緣體材料然而導電性介於兩者之

間價帶與傳導帶間能量相差不大的材料則稱為半

導體材料

材料的導電性是由傳導帶中所含有的電子數

量來決定當電子從價帶獲得能量跳躍至「傳導帶」

時就可以在帶間任意移動而導電一般常見的金

屬因導電帶與價帶之間的「能隙」極小室溫下很

容易導電而絕緣材料則因為能隙很大（通常大於

9eV）所以無法導電

下圖所示為原子間距與能隙之理論關係圖

十四族元素中因材料中原子間距的不同而使得

碳屬於絕緣體而矽屬於半導體

一般半導體的能隙約為 1 至 3eV因此只要給

予適當的能量激發或是改變其能隙間距就能導

電

2-2 半導體的分類

半導體材料依其構成元素可分為元素半導體

（ element semiconductors）以及化合物半導體

(compound semiconductors)兩大類矽(silicon Si)

和鍺(germanium Ge) 是最常用的元素半導體由單

一的四價元素所形成常見化合物半導體則包括

IV-IV 族化合物半導體（如碳化矽 SiC矽鍺合金

等）Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體（如砷化鎵 GaAs氮化

鎵 GaN磷化鎵 GaP砷化銦 InAs 等二元化合物

砷化鋁鎵 AlGaAs磷化銦鎵 GaInP氮化銦鎵

GaInN磷砷化銦鎵 InGaAsP 等三四元化合物）

Ⅱ-Ⅵ族化合物半導體（如硫化鎘 CdS鍗化鎘

CdTe硫化鋅 ZnS 等）氧化物 (錳鉻鐵銅

的氧化物)以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物

組成的固溶體（鎵鋁砷鎵砷磷等） 除上述晶態

半導體外還有非晶態的如玻璃半導體有機半導

體等

矽是目前工業中最主要的半導體材料因其在

地球表殼中存量豐富又能在上面生成良好的氧化

層適合大規模的積體電路的製作其他的半導體

則依其特性各有不同的用途例如Ⅲ-Ⅴ族半導體有

優良的發光特性及快速的電子傳導特性因此在光

電產業及通訊電子方面就舉足輕重

2-3 半導體的結構

矽為最常見的半導體材料矽為第十四族的元

素具有與鑽石(diamond)相同的晶體結構鍺亦為

第十四族的元素也具有鑽石的晶體結構鑽石晶

體結構如下列圖所示其結構遠比簡單立方體結構

複雜的多

Fig-鑽石結構 1 Fig-鑽石結構 2

Fig-鑽石結構 2 可以看成是兩個相同的面心

立方晶格在沿著對角線方向相錯四分之一個對角

線長度排列

鑽石結構中其原子皆為同一種原子如矽

或鍺而閃鋅礦(zincblende)結構不同於鑽石結構

其晶格中包含相異的兩種原子如下圖所示鋅化鎵

的化合物半導體即具有閃鋅礦的結構

鑽石結構與閃鋅礦結構的重要特徵皆為其原

子會互相連結而形成四面體(tetrahedral)的結構在

Fig-閃鋅礦結構圖中即可清楚的看出每個鎵元子

被相鄰四個最近的砷元子包圍反之每個鎵元子

被相鄰四個最近的砷元子包圍

並非所有的化合物半導體都是閃鋅結構有

一些Ⅱ-Ⅵ族化合物半導體例如硫化鎘及硫化鋅

等形成以六方晶格為基礎之烏采(Wurtzite)結構

較閃鋅結構緻密

2-4 本徵半導體

不含雜質且無晶格缺陷的半導體稱為本徵半

導 體 有 時 也 稱 作 固 有 半 導 體 (intrinsic

semiconductor)對應於摻有雜質的非固有半導體

(extrinsic semiconductor)

在極低溫度下半導體的價帶是滿帶受熱激

發後部分電子會越過禁帶進入能量較高的空帶

空帶存在電子成為導帶價帶缺少一個電子形成一

個帶正電的空位稱為空穴這個過程稱為產生

(Generation)其所需之最小能量稱作帶溝(band gap)

EG所吸收的能量可以是晶格的振動能（熱能）

光子的能量（輻射）或高速粒子的能量

導帶中的電子和價帶中的空穴合稱電子-空穴

對均為載流子在外電場作用下產生定向運動而

形成宏觀電流分別稱為電子導電和空穴導電這

種由於電子-空穴對而形成的混合型導電稱為本徵

導電

有高能傳導電子較不穩定經歷一段時間會

以光或熱等形式來釋放能量繼而掉回價電帶中碰

到電洞有機會結合形成填滿的共價鍵並放出和

帶 溝 差 不 多 的 能 量 這 個 過 程 稱 為 復 合

(Recombination)釋放出的能量變成電磁輻射（光）

或晶格的熱振動能量（熱）

Fig-閃鋅礦結構

由生至滅之期間稱壽命電子電洞對由產生至

復合消失的平均時間稱平均壽命又名生命週期

(life cycle)

電子電洞對在復合時速度與質量皆不同之二

粒子將結成一體因此除了釋放能量外尚須滿足

動量不滅方能結合由此復合可分成「直接復合」

(direct recombination) 與 「間 接 復 合 」 (indirect

recombination)兩類直接復合見於III-V族化合物半

導體材料其傳導電子可直接由傳導帶落入價電

帶復合時所釋放之能量如為光則稱光輻射復

合此類材料(如GaAs)可做發光二極體或雷射二極

體等光電元件如為熱則稱熱輻射復合有些材

料(如矽和鍺)因無法滿足動量守恆故傳導電子與

電洞不能直接復合必須先迂迴地轉至所謂的復合

中心(recombination centers位於能隙之間)稱為

間接復合間接復合僅能以熱的形式來釋放能量

因此矽半導體無法被製成發光元件

在熱平衡的狀態下一個未經摻雜的本質半導

體電子與電洞濃度相等即

n = p = ni

n 及p分別代表純半導體中之導電電子及電洞的濃

度或稱固有濃度(intrinsic concentration)ni則是本

質 半 導 體 的 載 子 濃 度 (intrinsic carrier

concentration)ni 是溫度T 的函數

A是一常數與材料種類有關以矽為例27degC時

ni = 145times1010載子cm3矽的原子密度約為5times1022

原子cm3

在無電流且定溫之情形下半導體材料中任一

處之『傳導電子濃度與電洞濃度之乘積』為一定

值即

與位置無關且無關是否摻雜稱作群體作用定律

(mass-action law)和酸鹼溶液中氫離子與氫氧根離

子的濃度乘積為一定值類似溫度升高平均被破

壞的共價鍵變多固有電子電洞的濃度增加導電

度增加在一定溫度下產生和復合同時存在並達

到動態平衡此時半導體具有一定的載流子密度

從而電阻率也一定

雖然電子電洞對一直在演變但是傳導帶內總是維

持著2個傳導電子

無晶格缺陷的純淨半導體電阻率較大實際應

用不多

2-5 摻雜

2-5-1 P 型與 N 型

半導體通常採用矽當導體因矽晶體內每個原

子貢獻四個價電子不同於導體電子被緊緊地束

縛在原子核附近使傳導率相對降低當溫度升高

時晶體的熱能使某些共價鍵變的不完全即所謂

的電洞成為電荷的載子

矽晶體結構 失去一個共價鍵矽晶體

利用高溫來增加載子濃度乃不實際做法因所

能增加之載子濃度實在過於微少純質半導體的特

性可以藉由植入雜質的過程而永久改變這個過程

通常稱為「摻雜」（doping）然而不可因摻入雜質

而破壞四面體之鑽石結構因此摻雜的原則是雜質

必須與4A族元素相近且摻入量應甚小

摻雜物濃度對於半導體最直接的影響在於其

載子濃度當將少量的三價或五價原子加入純矽

中就形成有外質的(extrinsic)或摻有雜質的(doped)

半導體

依摻入原子可分為施體與受體分述如下

1 施體(N 型)

摻入的雜質為五價電子原子如磷(P)砷(As)和

銻(Sb)所添入原子取代矽原子且其第五個價電

子成為不受束縛電子即電流載子因其貢獻一個

額外的電子載子故稱為施體(donor)電子是N型

材料的多數載子(majority carriers)電洞則是少數載

子(minority carriers)

被一個五價原子取代後的晶格

2 受體(P 型)

摻入的雜質為三價電子原子如硼(B)鎵(Ga)

和銦(In)此時僅可填滿三個共價鍵第四個空缺

形成一個電洞故稱為受體(acceptor)電洞是 P 型

材料的多數載子(majority carriers)電子則是少數載

子(minority carriers)

被一個三價原子取代後的晶格

一個半導體材料有可能先後摻雜施體與受

體必須視摻雜後的半導體中何者為此外質半導

體的「多數載子」來決定此外質半導體為 n 型或 p

型和多數載子相對的是少數載子在半導體中的

行為有著非常重要的地位假如半導體中同時摻雜

有施子與受子則較多數種類摻雜的載體會先將較

少數種類摻雜的載體中和（或復合）掉稱做補償

(compensation)因此一個 n 型半導體只要在其中

再摻雜入比原來施子濃度高的受子就可以形成 p

型半導體

摻雜濃度非常高的半導體因導電性接近金屬

而被廣泛應用於今日的積體電路來取代部份金

屬高摻雜濃度通常會在n或p後面附加一上標的

「+」例如n + 代表摻雜濃度極高的n型半導體反

之例如p - 則代表摻雜濃度極低的p型半導體即使

摻雜濃度已經高到讓半導體「退化」（degenerate）

為導體摻雜物的濃度和原本的半導體原子濃度比

起來還是差距極大摻雜濃度在 1018 cm-3以上的半

導 體 通 常 會 被 視 為 是 一 個 「 簡 併 半 導 體 」

（degenerated semiconductor）不管是n型或p型半

導體只要外界沒有加入或移除其中的載體則它

依舊維持電中性因為雜質在提供載體的同時本

身會帶一個和載體電性相反的電荷

2-5-2 摻雜對能帶的影響

摻雜之後的半導體能帶會有所改變依照摻雜

物的不同半導體的能隙之間會出現不同的能階

施體原子會在靠近傳導帶的地方產生一個新能

階而受體原子則是在靠近價帶的地方產生新能

階假如摻雜硼原子進入矽則因為硼的能階到矽

的價帶之間僅有 0045 eV遠小於矽本身的能隙

112 eV所以在室溫下就可以使摻雜到矽裡的硼原

萊的公司工作但在1957年時離開蕭克萊的公司另

謀出路成立快捷半導體公司1968年因和快捷

總公司意見不合遂離開快捷創立了世界最大的半

導體公司--英特爾(Intel)

圖四Robert Noyce(Photo by Liane Enkelis)

1-5 超大型積體電路(1970~)

當積體電路元件越來越多發展到某一程度

時即被稱為超大型積體電路例如一個晶片有超

過10萬個元件即可被稱為超大型積體電路1969

年英特爾公司的霍夫(Macian EHoff)有了設計世

界上第一個微處理器的想法而這個想法在1971年

11月15日被實現了英特爾公司設計出第一個微處

理器4004此晶片當時被稱為單晶片微程式電腦

(micro-programmable computer on a chip)隔年才取

名為微處理器(microprocessor)微處理器4004是由

一個四位元的平行加法器十六個四位元的暫存

器一個儲存器 (accumulator)與一個下推堆疊

(push-down stack)所組成的總共使用了約二千三

百個電晶體之後電晶體使用數目更多功能更

強的微處理器陸續出現時至今日英特爾公司所

製造的微處理器Pentium IIIPentium 4和Pentium M

已經包含了千萬個以上的電晶體了

這個階段的重要發明除了微處理器之外另

一 個 就 是 記 憶 器 晶 片 1967 年 IBM 的 迪 納

(RHDennard)發明了可以儲存一個位元的記憶單

元整個單元只包含一個電容器與一個電晶體之

後許多公司陸續生產出可以儲存更多位元的記憶

器晶片例如英特爾公司在1969年推出256位元的

隨身存取記憶器這個記憶器是利用矽閘極P通

道金氧半電晶體技術所做出的由於結構簡單密

度又高動態隨機存取記憶器的發展更是半導體技

術發展的一項重要指標

(1)真空管 (2)電晶體

(3)積體電路 (4)超大型積體電路

圖五電子元件的變遷

1-6 半導體研究與產業在台灣的發展

介紹了半導體的發展歷史後最後要談談半導

體研究與其產業在台灣的發展1960年代左右台

灣開始了半導體的研究1964年交通大學成立了全

國第一座電晶體實驗室並在隔年5月成功自製矽

平面式的電晶體其電流放大率約為50多倍截止

頻率(約為每秒五億週)和當時一般電視機與收音機

所用的電晶體相比也高出許多1966年更製造出全

國第一枚的積體電路

圖六製造第一批雙極性矽平面電晶體的研究團隊

(左起郭雙發湯敏雄張俊彥夏禮中張瑞夫博

士吳清斌)

而台灣早期的半導體工業是以電晶體裝配為

主1975 年在政府支持下成立了工業技術研究院電

子研究所1977 年該所的示範工廠落成開始試製

積體電路1982 年由該所衍生出的聯華電子公司

開始進行積體電路的生產之後許多半導體設計公

司陸續成立如今半導體產業的產值每年可達新

台幣 10000 億以上其產業之蓬勃發展由此可見

1-7 小結

從法拉第發現半導體材料至今不過短短一兩

百年但這一兩百年間半導體的發展猶如坐上

噴射機般的快速向前從最早的整流偵測器後來

的電晶體進而到現在的積體電路或超大型積體電

路其進步變化的時間越來越短也越來越快對

社會造成的衝擊與影響更是前所未見的日常生活

中常用的電器電腦電視電話冰箱與汽車hellip

等全都和它有關因此生活在這個充斥著半導體

時代的我們有必要充分了解半導體發展的來龍去

脈並從前人的知識經驗中繼續創新發展

二半導體之原理 王鼎鈞 廖祿凱

2-1導電性簡介

所有材料依導電性來分類可分為導體絕緣

體以及半導體導電能力與其自由電子密度(n 值)

成正比良好導體之自由電子密度約 1028個 e-m3

絕緣體約 107個 e-m3半導體則介乎此二值之間

室溫時電阻率約在 10-5～107 歐姆之間溫度升高時

電阻率則減小

當一固體材料之價帶（valence band）尚未被自

由電子填滿亦或該材料之傳導帶（conduction

band）與價帶疊合(無能階差)則稱此固體材料為導

體假若一固體材料之價帶與傳導帶之間有著某種

程度的能階差異而使得電子無法輕易躍遷至傳導

帶則其為絕緣體材料然而導電性介於兩者之

間價帶與傳導帶間能量相差不大的材料則稱為半

導體材料

材料的導電性是由傳導帶中所含有的電子數

量來決定當電子從價帶獲得能量跳躍至「傳導帶」

時就可以在帶間任意移動而導電一般常見的金

屬因導電帶與價帶之間的「能隙」極小室溫下很

容易導電而絕緣材料則因為能隙很大（通常大於

9eV）所以無法導電

下圖所示為原子間距與能隙之理論關係圖

十四族元素中因材料中原子間距的不同而使得

碳屬於絕緣體而矽屬於半導體

一般半導體的能隙約為 1 至 3eV因此只要給

予適當的能量激發或是改變其能隙間距就能導

電

2-2 半導體的分類

半導體材料依其構成元素可分為元素半導體

（ element semiconductors）以及化合物半導體

(compound semiconductors)兩大類矽(silicon Si)

和鍺(germanium Ge) 是最常用的元素半導體由單

一的四價元素所形成常見化合物半導體則包括

IV-IV 族化合物半導體（如碳化矽 SiC矽鍺合金

等）Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體（如砷化鎵 GaAs氮化

鎵 GaN磷化鎵 GaP砷化銦 InAs 等二元化合物

砷化鋁鎵 AlGaAs磷化銦鎵 GaInP氮化銦鎵

GaInN磷砷化銦鎵 InGaAsP 等三四元化合物）

Ⅱ-Ⅵ族化合物半導體（如硫化鎘 CdS鍗化鎘

CdTe硫化鋅 ZnS 等）氧化物 (錳鉻鐵銅

的氧化物)以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物

組成的固溶體（鎵鋁砷鎵砷磷等） 除上述晶態

半導體外還有非晶態的如玻璃半導體有機半導

體等

矽是目前工業中最主要的半導體材料因其在

地球表殼中存量豐富又能在上面生成良好的氧化

層適合大規模的積體電路的製作其他的半導體

則依其特性各有不同的用途例如Ⅲ-Ⅴ族半導體有

優良的發光特性及快速的電子傳導特性因此在光

電產業及通訊電子方面就舉足輕重

2-3 半導體的結構

矽為最常見的半導體材料矽為第十四族的元

素具有與鑽石(diamond)相同的晶體結構鍺亦為

第十四族的元素也具有鑽石的晶體結構鑽石晶

體結構如下列圖所示其結構遠比簡單立方體結構

複雜的多

Fig-鑽石結構 1 Fig-鑽石結構 2

Fig-鑽石結構 2 可以看成是兩個相同的面心

立方晶格在沿著對角線方向相錯四分之一個對角

線長度排列

鑽石結構中其原子皆為同一種原子如矽

或鍺而閃鋅礦(zincblende)結構不同於鑽石結構

其晶格中包含相異的兩種原子如下圖所示鋅化鎵

的化合物半導體即具有閃鋅礦的結構

鑽石結構與閃鋅礦結構的重要特徵皆為其原

子會互相連結而形成四面體(tetrahedral)的結構在

Fig-閃鋅礦結構圖中即可清楚的看出每個鎵元子

被相鄰四個最近的砷元子包圍反之每個鎵元子

被相鄰四個最近的砷元子包圍

並非所有的化合物半導體都是閃鋅結構有

一些Ⅱ-Ⅵ族化合物半導體例如硫化鎘及硫化鋅

等形成以六方晶格為基礎之烏采(Wurtzite)結構

較閃鋅結構緻密

2-4 本徵半導體

不含雜質且無晶格缺陷的半導體稱為本徵半

導 體 有 時 也 稱 作 固 有 半 導 體 (intrinsic

semiconductor)對應於摻有雜質的非固有半導體

(extrinsic semiconductor)

在極低溫度下半導體的價帶是滿帶受熱激

發後部分電子會越過禁帶進入能量較高的空帶

空帶存在電子成為導帶價帶缺少一個電子形成一

個帶正電的空位稱為空穴這個過程稱為產生

(Generation)其所需之最小能量稱作帶溝(band gap)

EG所吸收的能量可以是晶格的振動能（熱能）

光子的能量（輻射）或高速粒子的能量

導帶中的電子和價帶中的空穴合稱電子-空穴

對均為載流子在外電場作用下產生定向運動而

形成宏觀電流分別稱為電子導電和空穴導電這

種由於電子-空穴對而形成的混合型導電稱為本徵

導電

有高能傳導電子較不穩定經歷一段時間會

以光或熱等形式來釋放能量繼而掉回價電帶中碰

到電洞有機會結合形成填滿的共價鍵並放出和

帶 溝 差 不 多 的 能 量 這 個 過 程 稱 為 復 合

(Recombination)釋放出的能量變成電磁輻射（光）

或晶格的熱振動能量（熱）

Fig-閃鋅礦結構

由生至滅之期間稱壽命電子電洞對由產生至

復合消失的平均時間稱平均壽命又名生命週期

(life cycle)

電子電洞對在復合時速度與質量皆不同之二

粒子將結成一體因此除了釋放能量外尚須滿足

動量不滅方能結合由此復合可分成「直接復合」

(direct recombination) 與 「間 接 復 合 」 (indirect

recombination)兩類直接復合見於III-V族化合物半

導體材料其傳導電子可直接由傳導帶落入價電

帶復合時所釋放之能量如為光則稱光輻射復

合此類材料(如GaAs)可做發光二極體或雷射二極

體等光電元件如為熱則稱熱輻射復合有些材

料(如矽和鍺)因無法滿足動量守恆故傳導電子與

電洞不能直接復合必須先迂迴地轉至所謂的復合

中心(recombination centers位於能隙之間)稱為

間接復合間接復合僅能以熱的形式來釋放能量

因此矽半導體無法被製成發光元件

在熱平衡的狀態下一個未經摻雜的本質半導

體電子與電洞濃度相等即

n = p = ni

n 及p分別代表純半導體中之導電電子及電洞的濃

度或稱固有濃度(intrinsic concentration)ni則是本

質 半 導 體 的 載 子 濃 度 (intrinsic carrier

concentration)ni 是溫度T 的函數

A是一常數與材料種類有關以矽為例27degC時

ni = 145times1010載子cm3矽的原子密度約為5times1022

原子cm3

在無電流且定溫之情形下半導體材料中任一

處之『傳導電子濃度與電洞濃度之乘積』為一定

值即

與位置無關且無關是否摻雜稱作群體作用定律

(mass-action law)和酸鹼溶液中氫離子與氫氧根離

子的濃度乘積為一定值類似溫度升高平均被破

壞的共價鍵變多固有電子電洞的濃度增加導電

度增加在一定溫度下產生和復合同時存在並達

到動態平衡此時半導體具有一定的載流子密度

從而電阻率也一定

雖然電子電洞對一直在演變但是傳導帶內總是維

持著2個傳導電子

無晶格缺陷的純淨半導體電阻率較大實際應

用不多

2-5 摻雜

2-5-1 P 型與 N 型

半導體通常採用矽當導體因矽晶體內每個原

子貢獻四個價電子不同於導體電子被緊緊地束

縛在原子核附近使傳導率相對降低當溫度升高

時晶體的熱能使某些共價鍵變的不完全即所謂

的電洞成為電荷的載子

矽晶體結構 失去一個共價鍵矽晶體

利用高溫來增加載子濃度乃不實際做法因所

能增加之載子濃度實在過於微少純質半導體的特

性可以藉由植入雜質的過程而永久改變這個過程

通常稱為「摻雜」（doping）然而不可因摻入雜質

而破壞四面體之鑽石結構因此摻雜的原則是雜質

必須與4A族元素相近且摻入量應甚小

摻雜物濃度對於半導體最直接的影響在於其

載子濃度當將少量的三價或五價原子加入純矽

中就形成有外質的(extrinsic)或摻有雜質的(doped)

半導體

依摻入原子可分為施體與受體分述如下

1 施體(N 型)

摻入的雜質為五價電子原子如磷(P)砷(As)和

銻(Sb)所添入原子取代矽原子且其第五個價電

子成為不受束縛電子即電流載子因其貢獻一個

額外的電子載子故稱為施體(donor)電子是N型

材料的多數載子(majority carriers)電洞則是少數載

子(minority carriers)

被一個五價原子取代後的晶格

2 受體(P 型)

摻入的雜質為三價電子原子如硼(B)鎵(Ga)

和銦(In)此時僅可填滿三個共價鍵第四個空缺

形成一個電洞故稱為受體(acceptor)電洞是 P 型

材料的多數載子(majority carriers)電子則是少數載

子(minority carriers)

被一個三價原子取代後的晶格

一個半導體材料有可能先後摻雜施體與受

體必須視摻雜後的半導體中何者為此外質半導

體的「多數載子」來決定此外質半導體為 n 型或 p

型和多數載子相對的是少數載子在半導體中的

行為有著非常重要的地位假如半導體中同時摻雜

有施子與受子則較多數種類摻雜的載體會先將較

少數種類摻雜的載體中和（或復合）掉稱做補償

(compensation)因此一個 n 型半導體只要在其中

再摻雜入比原來施子濃度高的受子就可以形成 p

型半導體

摻雜濃度非常高的半導體因導電性接近金屬

而被廣泛應用於今日的積體電路來取代部份金

屬高摻雜濃度通常會在n或p後面附加一上標的

「+」例如n + 代表摻雜濃度極高的n型半導體反

之例如p - 則代表摻雜濃度極低的p型半導體即使

摻雜濃度已經高到讓半導體「退化」（degenerate）

為導體摻雜物的濃度和原本的半導體原子濃度比

起來還是差距極大摻雜濃度在 1018 cm-3以上的半

導 體 通 常 會 被 視 為 是 一 個 「 簡 併 半 導 體 」

（degenerated semiconductor）不管是n型或p型半

導體只要外界沒有加入或移除其中的載體則它

依舊維持電中性因為雜質在提供載體的同時本

身會帶一個和載體電性相反的電荷

2-5-2 摻雜對能帶的影響

摻雜之後的半導體能帶會有所改變依照摻雜

物的不同半導體的能隙之間會出現不同的能階

施體原子會在靠近傳導帶的地方產生一個新能

階而受體原子則是在靠近價帶的地方產生新能

階假如摻雜硼原子進入矽則因為硼的能階到矽

的價帶之間僅有 0045 eV遠小於矽本身的能隙

112 eV所以在室溫下就可以使摻雜到矽裡的硼原

子研究所1977 年該所的示範工廠落成開始試製

積體電路1982 年由該所衍生出的聯華電子公司

開始進行積體電路的生產之後許多半導體設計公

司陸續成立如今半導體產業的產值每年可達新

台幣 10000 億以上其產業之蓬勃發展由此可見

1-7 小結

從法拉第發現半導體材料至今不過短短一兩

百年但這一兩百年間半導體的發展猶如坐上

噴射機般的快速向前從最早的整流偵測器後來

的電晶體進而到現在的積體電路或超大型積體電

路其進步變化的時間越來越短也越來越快對

社會造成的衝擊與影響更是前所未見的日常生活

中常用的電器電腦電視電話冰箱與汽車hellip

等全都和它有關因此生活在這個充斥著半導體

時代的我們有必要充分了解半導體發展的來龍去

脈並從前人的知識經驗中繼續創新發展

二半導體之原理 王鼎鈞 廖祿凱

2-1導電性簡介

所有材料依導電性來分類可分為導體絕緣

體以及半導體導電能力與其自由電子密度(n 值)

成正比良好導體之自由電子密度約 1028個 e-m3

絕緣體約 107個 e-m3半導體則介乎此二值之間

室溫時電阻率約在 10-5～107 歐姆之間溫度升高時

電阻率則減小

當一固體材料之價帶（valence band）尚未被自

由電子填滿亦或該材料之傳導帶（conduction

band）與價帶疊合(無能階差)則稱此固體材料為導

體假若一固體材料之價帶與傳導帶之間有著某種

程度的能階差異而使得電子無法輕易躍遷至傳導

帶則其為絕緣體材料然而導電性介於兩者之

間價帶與傳導帶間能量相差不大的材料則稱為半

導體材料

材料的導電性是由傳導帶中所含有的電子數

量來決定當電子從價帶獲得能量跳躍至「傳導帶」

時就可以在帶間任意移動而導電一般常見的金

屬因導電帶與價帶之間的「能隙」極小室溫下很

容易導電而絕緣材料則因為能隙很大（通常大於

9eV）所以無法導電

下圖所示為原子間距與能隙之理論關係圖

十四族元素中因材料中原子間距的不同而使得

碳屬於絕緣體而矽屬於半導體

一般半導體的能隙約為 1 至 3eV因此只要給

予適當的能量激發或是改變其能隙間距就能導

電

2-2 半導體的分類

半導體材料依其構成元素可分為元素半導體

（ element semiconductors）以及化合物半導體

(compound semiconductors)兩大類矽(silicon Si)

和鍺(germanium Ge) 是最常用的元素半導體由單

一的四價元素所形成常見化合物半導體則包括

IV-IV 族化合物半導體（如碳化矽 SiC矽鍺合金

等）Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體（如砷化鎵 GaAs氮化

鎵 GaN磷化鎵 GaP砷化銦 InAs 等二元化合物

砷化鋁鎵 AlGaAs磷化銦鎵 GaInP氮化銦鎵

GaInN磷砷化銦鎵 InGaAsP 等三四元化合物）

Ⅱ-Ⅵ族化合物半導體（如硫化鎘 CdS鍗化鎘

CdTe硫化鋅 ZnS 等）氧化物 (錳鉻鐵銅

的氧化物)以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物

組成的固溶體（鎵鋁砷鎵砷磷等） 除上述晶態

半導體外還有非晶態的如玻璃半導體有機半導

體等

矽是目前工業中最主要的半導體材料因其在

地球表殼中存量豐富又能在上面生成良好的氧化

層適合大規模的積體電路的製作其他的半導體

則依其特性各有不同的用途例如Ⅲ-Ⅴ族半導體有

優良的發光特性及快速的電子傳導特性因此在光

電產業及通訊電子方面就舉足輕重

2-3 半導體的結構

矽為最常見的半導體材料矽為第十四族的元

素具有與鑽石(diamond)相同的晶體結構鍺亦為

第十四族的元素也具有鑽石的晶體結構鑽石晶

體結構如下列圖所示其結構遠比簡單立方體結構

複雜的多

Fig-鑽石結構 1 Fig-鑽石結構 2

Fig-鑽石結構 2 可以看成是兩個相同的面心

立方晶格在沿著對角線方向相錯四分之一個對角

線長度排列

鑽石結構中其原子皆為同一種原子如矽

或鍺而閃鋅礦(zincblende)結構不同於鑽石結構

其晶格中包含相異的兩種原子如下圖所示鋅化鎵

的化合物半導體即具有閃鋅礦的結構

鑽石結構與閃鋅礦結構的重要特徵皆為其原

子會互相連結而形成四面體(tetrahedral)的結構在

Fig-閃鋅礦結構圖中即可清楚的看出每個鎵元子

被相鄰四個最近的砷元子包圍反之每個鎵元子

被相鄰四個最近的砷元子包圍

並非所有的化合物半導體都是閃鋅結構有

一些Ⅱ-Ⅵ族化合物半導體例如硫化鎘及硫化鋅

等形成以六方晶格為基礎之烏采(Wurtzite)結構

較閃鋅結構緻密

2-4 本徵半導體

不含雜質且無晶格缺陷的半導體稱為本徵半

導 體 有 時 也 稱 作 固 有 半 導 體 (intrinsic

semiconductor)對應於摻有雜質的非固有半導體

(extrinsic semiconductor)

在極低溫度下半導體的價帶是滿帶受熱激

發後部分電子會越過禁帶進入能量較高的空帶

空帶存在電子成為導帶價帶缺少一個電子形成一

個帶正電的空位稱為空穴這個過程稱為產生

(Generation)其所需之最小能量稱作帶溝(band gap)

EG所吸收的能量可以是晶格的振動能（熱能）

光子的能量（輻射）或高速粒子的能量

導帶中的電子和價帶中的空穴合稱電子-空穴

對均為載流子在外電場作用下產生定向運動而

形成宏觀電流分別稱為電子導電和空穴導電這

種由於電子-空穴對而形成的混合型導電稱為本徵

導電

有高能傳導電子較不穩定經歷一段時間會

以光或熱等形式來釋放能量繼而掉回價電帶中碰

到電洞有機會結合形成填滿的共價鍵並放出和

帶 溝 差 不 多 的 能 量 這 個 過 程 稱 為 復 合

(Recombination)釋放出的能量變成電磁輻射（光）

或晶格的熱振動能量（熱）

Fig-閃鋅礦結構

由生至滅之期間稱壽命電子電洞對由產生至

復合消失的平均時間稱平均壽命又名生命週期

(life cycle)

電子電洞對在復合時速度與質量皆不同之二

粒子將結成一體因此除了釋放能量外尚須滿足

動量不滅方能結合由此復合可分成「直接復合」

(direct recombination) 與 「間 接 復 合 」 (indirect

recombination)兩類直接復合見於III-V族化合物半

導體材料其傳導電子可直接由傳導帶落入價電

帶復合時所釋放之能量如為光則稱光輻射復

合此類材料(如GaAs)可做發光二極體或雷射二極

體等光電元件如為熱則稱熱輻射復合有些材

料(如矽和鍺)因無法滿足動量守恆故傳導電子與

電洞不能直接復合必須先迂迴地轉至所謂的復合

中心(recombination centers位於能隙之間)稱為

間接復合間接復合僅能以熱的形式來釋放能量

因此矽半導體無法被製成發光元件

在熱平衡的狀態下一個未經摻雜的本質半導

體電子與電洞濃度相等即

n = p = ni

n 及p分別代表純半導體中之導電電子及電洞的濃

度或稱固有濃度(intrinsic concentration)ni則是本

質 半 導 體 的 載 子 濃 度 (intrinsic carrier

concentration)ni 是溫度T 的函數

A是一常數與材料種類有關以矽為例27degC時

ni = 145times1010載子cm3矽的原子密度約為5times1022

原子cm3

在無電流且定溫之情形下半導體材料中任一

處之『傳導電子濃度與電洞濃度之乘積』為一定

值即

與位置無關且無關是否摻雜稱作群體作用定律

(mass-action law)和酸鹼溶液中氫離子與氫氧根離

子的濃度乘積為一定值類似溫度升高平均被破

壞的共價鍵變多固有電子電洞的濃度增加導電

度增加在一定溫度下產生和復合同時存在並達

到動態平衡此時半導體具有一定的載流子密度

從而電阻率也一定

雖然電子電洞對一直在演變但是傳導帶內總是維

持著2個傳導電子

無晶格缺陷的純淨半導體電阻率較大實際應

用不多

2-5 摻雜

2-5-1 P 型與 N 型

半導體通常採用矽當導體因矽晶體內每個原

子貢獻四個價電子不同於導體電子被緊緊地束

縛在原子核附近使傳導率相對降低當溫度升高

時晶體的熱能使某些共價鍵變的不完全即所謂

的電洞成為電荷的載子

矽晶體結構 失去一個共價鍵矽晶體

利用高溫來增加載子濃度乃不實際做法因所

能增加之載子濃度實在過於微少純質半導體的特

性可以藉由植入雜質的過程而永久改變這個過程

通常稱為「摻雜」（doping）然而不可因摻入雜質

而破壞四面體之鑽石結構因此摻雜的原則是雜質

必須與4A族元素相近且摻入量應甚小

摻雜物濃度對於半導體最直接的影響在於其

載子濃度當將少量的三價或五價原子加入純矽

中就形成有外質的(extrinsic)或摻有雜質的(doped)

半導體

依摻入原子可分為施體與受體分述如下

1 施體(N 型)

摻入的雜質為五價電子原子如磷(P)砷(As)和

銻(Sb)所添入原子取代矽原子且其第五個價電

子成為不受束縛電子即電流載子因其貢獻一個

額外的電子載子故稱為施體(donor)電子是N型

材料的多數載子(majority carriers)電洞則是少數載

子(minority carriers)

被一個五價原子取代後的晶格

2 受體(P 型)

摻入的雜質為三價電子原子如硼(B)鎵(Ga)

和銦(In)此時僅可填滿三個共價鍵第四個空缺

形成一個電洞故稱為受體(acceptor)電洞是 P 型

材料的多數載子(majority carriers)電子則是少數載

子(minority carriers)

被一個三價原子取代後的晶格

一個半導體材料有可能先後摻雜施體與受

體必須視摻雜後的半導體中何者為此外質半導

體的「多數載子」來決定此外質半導體為 n 型或 p

型和多數載子相對的是少數載子在半導體中的

行為有著非常重要的地位假如半導體中同時摻雜

有施子與受子則較多數種類摻雜的載體會先將較

少數種類摻雜的載體中和（或復合）掉稱做補償

(compensation)因此一個 n 型半導體只要在其中

再摻雜入比原來施子濃度高的受子就可以形成 p

型半導體

摻雜濃度非常高的半導體因導電性接近金屬

而被廣泛應用於今日的積體電路來取代部份金

屬高摻雜濃度通常會在n或p後面附加一上標的

「+」例如n + 代表摻雜濃度極高的n型半導體反

之例如p - 則代表摻雜濃度極低的p型半導體即使

摻雜濃度已經高到讓半導體「退化」（degenerate）

為導體摻雜物的濃度和原本的半導體原子濃度比

起來還是差距極大摻雜濃度在 1018 cm-3以上的半

導 體 通 常 會 被 視 為 是 一 個 「 簡 併 半 導 體 」

（degenerated semiconductor）不管是n型或p型半

導體只要外界沒有加入或移除其中的載體則它

依舊維持電中性因為雜質在提供載體的同時本

身會帶一個和載體電性相反的電荷

2-5-2 摻雜對能帶的影響

摻雜之後的半導體能帶會有所改變依照摻雜

物的不同半導體的能隙之間會出現不同的能階

施體原子會在靠近傳導帶的地方產生一個新能

階而受體原子則是在靠近價帶的地方產生新能

階假如摻雜硼原子進入矽則因為硼的能階到矽

的價帶之間僅有 0045 eV遠小於矽本身的能隙

112 eV所以在室溫下就可以使摻雜到矽裡的硼原

GaInN磷砷化銦鎵 InGaAsP 等三四元化合物）

Ⅱ-Ⅵ族化合物半導體（如硫化鎘 CdS鍗化鎘

CdTe硫化鋅 ZnS 等）氧化物 (錳鉻鐵銅

的氧化物)以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物

組成的固溶體（鎵鋁砷鎵砷磷等） 除上述晶態

半導體外還有非晶態的如玻璃半導體有機半導

體等

矽是目前工業中最主要的半導體材料因其在

地球表殼中存量豐富又能在上面生成良好的氧化

層適合大規模的積體電路的製作其他的半導體

則依其特性各有不同的用途例如Ⅲ-Ⅴ族半導體有

優良的發光特性及快速的電子傳導特性因此在光

電產業及通訊電子方面就舉足輕重

2-3 半導體的結構

矽為最常見的半導體材料矽為第十四族的元

素具有與鑽石(diamond)相同的晶體結構鍺亦為

第十四族的元素也具有鑽石的晶體結構鑽石晶

體結構如下列圖所示其結構遠比簡單立方體結構

複雜的多

Fig-鑽石結構 1 Fig-鑽石結構 2

Fig-鑽石結構 2 可以看成是兩個相同的面心

立方晶格在沿著對角線方向相錯四分之一個對角

線長度排列

鑽石結構中其原子皆為同一種原子如矽

或鍺而閃鋅礦(zincblende)結構不同於鑽石結構

其晶格中包含相異的兩種原子如下圖所示鋅化鎵

的化合物半導體即具有閃鋅礦的結構

鑽石結構與閃鋅礦結構的重要特徵皆為其原

子會互相連結而形成四面體(tetrahedral)的結構在

Fig-閃鋅礦結構圖中即可清楚的看出每個鎵元子

被相鄰四個最近的砷元子包圍反之每個鎵元子

被相鄰四個最近的砷元子包圍

並非所有的化合物半導體都是閃鋅結構有

一些Ⅱ-Ⅵ族化合物半導體例如硫化鎘及硫化鋅

等形成以六方晶格為基礎之烏采(Wurtzite)結構

較閃鋅結構緻密

2-4 本徵半導體

不含雜質且無晶格缺陷的半導體稱為本徵半

導 體 有 時 也 稱 作 固 有 半 導 體 (intrinsic

semiconductor)對應於摻有雜質的非固有半導體

(extrinsic semiconductor)

在極低溫度下半導體的價帶是滿帶受熱激

發後部分電子會越過禁帶進入能量較高的空帶

空帶存在電子成為導帶價帶缺少一個電子形成一

個帶正電的空位稱為空穴這個過程稱為產生

(Generation)其所需之最小能量稱作帶溝(band gap)

EG所吸收的能量可以是晶格的振動能（熱能）

光子的能量（輻射）或高速粒子的能量

導帶中的電子和價帶中的空穴合稱電子-空穴

對均為載流子在外電場作用下產生定向運動而

形成宏觀電流分別稱為電子導電和空穴導電這

種由於電子-空穴對而形成的混合型導電稱為本徵

導電

有高能傳導電子較不穩定經歷一段時間會

以光或熱等形式來釋放能量繼而掉回價電帶中碰

到電洞有機會結合形成填滿的共價鍵並放出和

帶 溝 差 不 多 的 能 量 這 個 過 程 稱 為 復 合

(Recombination)釋放出的能量變成電磁輻射（光）

或晶格的熱振動能量（熱）

Fig-閃鋅礦結構

由生至滅之期間稱壽命電子電洞對由產生至

復合消失的平均時間稱平均壽命又名生命週期

(life cycle)

電子電洞對在復合時速度與質量皆不同之二

粒子將結成一體因此除了釋放能量外尚須滿足

動量不滅方能結合由此復合可分成「直接復合」

(direct recombination) 與 「間 接 復 合 」 (indirect

recombination)兩類直接復合見於III-V族化合物半

導體材料其傳導電子可直接由傳導帶落入價電

帶復合時所釋放之能量如為光則稱光輻射復

合此類材料(如GaAs)可做發光二極體或雷射二極

體等光電元件如為熱則稱熱輻射復合有些材

料(如矽和鍺)因無法滿足動量守恆故傳導電子與

電洞不能直接復合必須先迂迴地轉至所謂的復合

中心(recombination centers位於能隙之間)稱為

間接復合間接復合僅能以熱的形式來釋放能量

因此矽半導體無法被製成發光元件

在熱平衡的狀態下一個未經摻雜的本質半導

體電子與電洞濃度相等即

n = p = ni

n 及p分別代表純半導體中之導電電子及電洞的濃

度或稱固有濃度(intrinsic concentration)ni則是本

質 半 導 體 的 載 子 濃 度 (intrinsic carrier

concentration)ni 是溫度T 的函數

A是一常數與材料種類有關以矽為例27degC時

ni = 145times1010載子cm3矽的原子密度約為5times1022

原子cm3

在無電流且定溫之情形下半導體材料中任一

處之『傳導電子濃度與電洞濃度之乘積』為一定

值即

與位置無關且無關是否摻雜稱作群體作用定律

(mass-action law)和酸鹼溶液中氫離子與氫氧根離

子的濃度乘積為一定值類似溫度升高平均被破

壞的共價鍵變多固有電子電洞的濃度增加導電

度增加在一定溫度下產生和復合同時存在並達

到動態平衡此時半導體具有一定的載流子密度

從而電阻率也一定

雖然電子電洞對一直在演變但是傳導帶內總是維

持著2個傳導電子

無晶格缺陷的純淨半導體電阻率較大實際應

用不多

2-5 摻雜

2-5-1 P 型與 N 型

半導體通常採用矽當導體因矽晶體內每個原

子貢獻四個價電子不同於導體電子被緊緊地束

縛在原子核附近使傳導率相對降低當溫度升高

時晶體的熱能使某些共價鍵變的不完全即所謂

的電洞成為電荷的載子

矽晶體結構 失去一個共價鍵矽晶體

利用高溫來增加載子濃度乃不實際做法因所

能增加之載子濃度實在過於微少純質半導體的特

性可以藉由植入雜質的過程而永久改變這個過程

通常稱為「摻雜」（doping）然而不可因摻入雜質

而破壞四面體之鑽石結構因此摻雜的原則是雜質

必須與4A族元素相近且摻入量應甚小

摻雜物濃度對於半導體最直接的影響在於其

載子濃度當將少量的三價或五價原子加入純矽

中就形成有外質的(extrinsic)或摻有雜質的(doped)

半導體

依摻入原子可分為施體與受體分述如下

1 施體(N 型)

摻入的雜質為五價電子原子如磷(P)砷(As)和

銻(Sb)所添入原子取代矽原子且其第五個價電

子成為不受束縛電子即電流載子因其貢獻一個

額外的電子載子故稱為施體(donor)電子是N型

材料的多數載子(majority carriers)電洞則是少數載

子(minority carriers)

被一個五價原子取代後的晶格

2 受體(P 型)

摻入的雜質為三價電子原子如硼(B)鎵(Ga)

和銦(In)此時僅可填滿三個共價鍵第四個空缺

形成一個電洞故稱為受體(acceptor)電洞是 P 型

材料的多數載子(majority carriers)電子則是少數載

子(minority carriers)

被一個三價原子取代後的晶格

一個半導體材料有可能先後摻雜施體與受

體必須視摻雜後的半導體中何者為此外質半導

體的「多數載子」來決定此外質半導體為 n 型或 p

型和多數載子相對的是少數載子在半導體中的

行為有著非常重要的地位假如半導體中同時摻雜

有施子與受子則較多數種類摻雜的載體會先將較

少數種類摻雜的載體中和（或復合）掉稱做補償

(compensation)因此一個 n 型半導體只要在其中

再摻雜入比原來施子濃度高的受子就可以形成 p

型半導體

摻雜濃度非常高的半導體因導電性接近金屬

而被廣泛應用於今日的積體電路來取代部份金

屬高摻雜濃度通常會在n或p後面附加一上標的

「+」例如n + 代表摻雜濃度極高的n型半導體反

之例如p - 則代表摻雜濃度極低的p型半導體即使

摻雜濃度已經高到讓半導體「退化」（degenerate）

為導體摻雜物的濃度和原本的半導體原子濃度比

起來還是差距極大摻雜濃度在 1018 cm-3以上的半

導 體 通 常 會 被 視 為 是 一 個 「 簡 併 半 導 體 」

（degenerated semiconductor）不管是n型或p型半

導體只要外界沒有加入或移除其中的載體則它

依舊維持電中性因為雜質在提供載體的同時本

身會帶一個和載體電性相反的電荷

2-5-2 摻雜對能帶的影響

摻雜之後的半導體能帶會有所改變依照摻雜

物的不同半導體的能隙之間會出現不同的能階

施體原子會在靠近傳導帶的地方產生一個新能

階而受體原子則是在靠近價帶的地方產生新能

階假如摻雜硼原子進入矽則因為硼的能階到矽

的價帶之間僅有 0045 eV遠小於矽本身的能隙

112 eV所以在室溫下就可以使摻雜到矽裡的硼原

由生至滅之期間稱壽命電子電洞對由產生至

復合消失的平均時間稱平均壽命又名生命週期

(life cycle)

電子電洞對在復合時速度與質量皆不同之二

粒子將結成一體因此除了釋放能量外尚須滿足

動量不滅方能結合由此復合可分成「直接復合」

(direct recombination) 與 「間 接 復 合 」 (indirect

recombination)兩類直接復合見於III-V族化合物半

導體材料其傳導電子可直接由傳導帶落入價電

帶復合時所釋放之能量如為光則稱光輻射復

合此類材料(如GaAs)可做發光二極體或雷射二極

體等光電元件如為熱則稱熱輻射復合有些材

料(如矽和鍺)因無法滿足動量守恆故傳導電子與

電洞不能直接復合必須先迂迴地轉至所謂的復合

中心(recombination centers位於能隙之間)稱為

間接復合間接復合僅能以熱的形式來釋放能量

因此矽半導體無法被製成發光元件

在熱平衡的狀態下一個未經摻雜的本質半導

體電子與電洞濃度相等即

n = p = ni

n 及p分別代表純半導體中之導電電子及電洞的濃

度或稱固有濃度(intrinsic concentration)ni則是本

質 半 導 體 的 載 子 濃 度 (intrinsic carrier

concentration)ni 是溫度T 的函數

A是一常數與材料種類有關以矽為例27degC時

ni = 145times1010載子cm3矽的原子密度約為5times1022

原子cm3

在無電流且定溫之情形下半導體材料中任一

處之『傳導電子濃度與電洞濃度之乘積』為一定

值即

與位置無關且無關是否摻雜稱作群體作用定律

(mass-action law)和酸鹼溶液中氫離子與氫氧根離

子的濃度乘積為一定值類似溫度升高平均被破

壞的共價鍵變多固有電子電洞的濃度增加導電

度增加在一定溫度下產生和復合同時存在並達

到動態平衡此時半導體具有一定的載流子密度

從而電阻率也一定

雖然電子電洞對一直在演變但是傳導帶內總是維

持著2個傳導電子

無晶格缺陷的純淨半導體電阻率較大實際應

用不多

2-5 摻雜

2-5-1 P 型與 N 型

半導體通常採用矽當導體因矽晶體內每個原

子貢獻四個價電子不同於導體電子被緊緊地束

縛在原子核附近使傳導率相對降低當溫度升高

時晶體的熱能使某些共價鍵變的不完全即所謂

的電洞成為電荷的載子

矽晶體結構 失去一個共價鍵矽晶體

利用高溫來增加載子濃度乃不實際做法因所

能增加之載子濃度實在過於微少純質半導體的特

性可以藉由植入雜質的過程而永久改變這個過程

通常稱為「摻雜」（doping）然而不可因摻入雜質

而破壞四面體之鑽石結構因此摻雜的原則是雜質

必須與4A族元素相近且摻入量應甚小

摻雜物濃度對於半導體最直接的影響在於其

載子濃度當將少量的三價或五價原子加入純矽

中就形成有外質的(extrinsic)或摻有雜質的(doped)

半導體

依摻入原子可分為施體與受體分述如下

1 施體(N 型)

摻入的雜質為五價電子原子如磷(P)砷(As)和

銻(Sb)所添入原子取代矽原子且其第五個價電

子成為不受束縛電子即電流載子因其貢獻一個

額外的電子載子故稱為施體(donor)電子是N型

材料的多數載子(majority carriers)電洞則是少數載

子(minority carriers)

被一個五價原子取代後的晶格

2 受體(P 型)

摻入的雜質為三價電子原子如硼(B)鎵(Ga)

和銦(In)此時僅可填滿三個共價鍵第四個空缺

形成一個電洞故稱為受體(acceptor)電洞是 P 型

材料的多數載子(majority carriers)電子則是少數載

子(minority carriers)

被一個三價原子取代後的晶格

一個半導體材料有可能先後摻雜施體與受

體必須視摻雜後的半導體中何者為此外質半導

體的「多數載子」來決定此外質半導體為 n 型或 p

型和多數載子相對的是少數載子在半導體中的

行為有著非常重要的地位假如半導體中同時摻雜

有施子與受子則較多數種類摻雜的載體會先將較

少數種類摻雜的載體中和（或復合）掉稱做補償

(compensation)因此一個 n 型半導體只要在其中

再摻雜入比原來施子濃度高的受子就可以形成 p

型半導體

摻雜濃度非常高的半導體因導電性接近金屬

而被廣泛應用於今日的積體電路來取代部份金

屬高摻雜濃度通常會在n或p後面附加一上標的

「+」例如n + 代表摻雜濃度極高的n型半導體反

之例如p - 則代表摻雜濃度極低的p型半導體即使

摻雜濃度已經高到讓半導體「退化」（degenerate）

為導體摻雜物的濃度和原本的半導體原子濃度比

起來還是差距極大摻雜濃度在 1018 cm-3以上的半

導 體 通 常 會 被 視 為 是 一 個 「 簡 併 半 導 體 」

（degenerated semiconductor）不管是n型或p型半

導體只要外界沒有加入或移除其中的載體則它

依舊維持電中性因為雜質在提供載體的同時本

身會帶一個和載體電性相反的電荷

2-5-2 摻雜對能帶的影響

摻雜之後的半導體能帶會有所改變依照摻雜

物的不同半導體的能隙之間會出現不同的能階

施體原子會在靠近傳導帶的地方產生一個新能

階而受體原子則是在靠近價帶的地方產生新能

階假如摻雜硼原子進入矽則因為硼的能階到矽

的價帶之間僅有 0045 eV遠小於矽本身的能隙

112 eV所以在室溫下就可以使摻雜到矽裡的硼原

通常稱為「摻雜」（doping）然而不可因摻入雜質

而破壞四面體之鑽石結構因此摻雜的原則是雜質

必須與4A族元素相近且摻入量應甚小

摻雜物濃度對於半導體最直接的影響在於其

載子濃度當將少量的三價或五價原子加入純矽

中就形成有外質的(extrinsic)或摻有雜質的(doped)

半導體

依摻入原子可分為施體與受體分述如下

1 施體(N 型)

摻入的雜質為五價電子原子如磷(P)砷(As)和

銻(Sb)所添入原子取代矽原子且其第五個價電

子成為不受束縛電子即電流載子因其貢獻一個

額外的電子載子故稱為施體(donor)電子是N型

材料的多數載子(majority carriers)電洞則是少數載

子(minority carriers)

被一個五價原子取代後的晶格

2 受體(P 型)

摻入的雜質為三價電子原子如硼(B)鎵(Ga)

和銦(In)此時僅可填滿三個共價鍵第四個空缺

形成一個電洞故稱為受體(acceptor)電洞是 P 型

材料的多數載子(majority carriers)電子則是少數載

子(minority carriers)

被一個三價原子取代後的晶格

一個半導體材料有可能先後摻雜施體與受

體必須視摻雜後的半導體中何者為此外質半導

體的「多數載子」來決定此外質半導體為 n 型或 p

型和多數載子相對的是少數載子在半導體中的

行為有著非常重要的地位假如半導體中同時摻雜

有施子與受子則較多數種類摻雜的載體會先將較

少數種類摻雜的載體中和（或復合）掉稱做補償

(compensation)因此一個 n 型半導體只要在其中

再摻雜入比原來施子濃度高的受子就可以形成 p

型半導體

摻雜濃度非常高的半導體因導電性接近金屬

而被廣泛應用於今日的積體電路來取代部份金

屬高摻雜濃度通常會在n或p後面附加一上標的

「+」例如n + 代表摻雜濃度極高的n型半導體反

之例如p - 則代表摻雜濃度極低的p型半導體即使

摻雜濃度已經高到讓半導體「退化」（degenerate）

為導體摻雜物的濃度和原本的半導體原子濃度比

起來還是差距極大摻雜濃度在 1018 cm-3以上的半

導 體 通 常 會 被 視 為 是 一 個 「 簡 併 半 導 體 」

（degenerated semiconductor）不管是n型或p型半

導體只要外界沒有加入或移除其中的載體則它

依舊維持電中性因為雜質在提供載體的同時本

身會帶一個和載體電性相反的電荷

2-5-2 摻雜對能帶的影響

摻雜之後的半導體能帶會有所改變依照摻雜

物的不同半導體的能隙之間會出現不同的能階

施體原子會在靠近傳導帶的地方產生一個新能

階而受體原子則是在靠近價帶的地方產生新能

階假如摻雜硼原子進入矽則因為硼的能階到矽

的價帶之間僅有 0045 eV遠小於矽本身的能隙

112 eV所以在室溫下就可以使摻雜到矽裡的硼原

子完全解離化（ionize）

摻雜物對於能帶結構的另一重大影響是改變

了費米能階的位置在熱平衡的狀態下費米能階會

保持定值這個特性會引出很多其他有用的電特

性舉例來說一個p-n接面的能帶會彎折起因是

原本p型和n型半導體的費米能階位置各不相同但

是形成p-n接面後卻必須保持在同樣的高度造成兩

者的傳導帶或價帶都會被彎曲以配合接面處的能

帶差異

2-5-3 帶溝與光電特性

半導體能夠在光電產業扮演重要的角色主要

是靠半導體吸收和放出光子的特性以矽為例它

的帶溝是 11eV對應到光譜上的紅外線及可見

光所以這些光子入射到矽晶片上可被共價鍵的電

子吸收產生電子電洞對光的訊號轉也就換成電的

訊號這個特性可以用來偵測能量比帶溝大的光

子所製作的光電元件稱為光偵測器 (optical

detector)市面上一般的手提攝影機或數位相機

即是用此代替傳統的底片半導體導電電子和電洞

復合時會放出能量約和帶溝相同之光子可用來製

作光源例如砷化鎵的帶溝為 14eV相當於波長

09 μm 的紅外光可用做紅外光發光二極體或雷射

二極體的材料可見光部分紅光的能量約在17 到

18eV一般使用磷砷化鎵(GaAsP)類的三元化合

物目前產業界最有興趣的是在藍綠光的光源必

須用到帶溝約在 22eV 到 26eV 的材料主要的材

料是氮化銦鎵(InGaN)由穩定的紅綠藍三種半

導體光源就能混合出任何顏色的光

2-5-4 費米能階

在一定溫度下半導體中的大量電子不斷地作

無規則熱運動從一個電子來看它所具有的能量

時大時小一直變化但是從大量電子宏觀地來

看在熱平衡狀態下電子按能量大小而有一定的

統計分布規律性根據量子統計理論服從包利不

相容原理的電子(S= Fermion)遵循費米統計定律

費米分佈函數對於能量為 E 的一個量子態被一個

電子佔據的機率 fFD(E)為

FD Fermi-Dirac

fFD (E)稱為電子的費米分佈函數是描寫熱平

衡狀態下電子在允許的量子態上如何分佈的函

數式中 k 是波茲曼常數T 是絕對溫度EF稱為

費米能階和溫度半導體材料的導電類型雜質

的含量以及能量零點的選取有關只要知道了 EF

的數值在一定溫度下電子在各量子態上的統計

分佈就完全確定

當 T = 0K 時

若 E lt EF則 f(E) = 1

若 E gt EF則 f(E) = 0

即在絕對零度時能量比 EF 小的量子態被電

子佔據的機率是一因而這些量子態上都有電子

能量比 EF 大的量子態被電子佔據的機率是零因

而這些量子態上都沒有電子故在絕對零度時費

米能級 EF可看成量子態是否被電子占據的界限

然而在一般使用材料的溫度 T gt 0K 時

若 E lt EF則 f(E) asymp 1

若 E = EF則 f(E) = 12

若 E gt EF則 f(E) rarr 0

排除量子統計學的計算簡單的來說在溫度

大於零但非極高溫的狀況下原先分部於費米能階

附近的少數電子因溫度而具備足夠的能量穿隧出

費米能階的界限而使得能量大於費米能階處有電

子出現的機率然而在非極高的溫度因方便的考量

我們通常將此狀況近似於 0K 的情況

理論上在極高溫的狀態下原先遠低於費米

能階電子亦具有足夠的能量跨越費米能階的界

限使得在費米能階之上電子分布的機率大大增

加但在這些溫度下材料早已崩解固這類問題已

不是那麼的實用與重要

由強 p 型到強 n 型 EF 位置逐漸升高在強

p 型中導帶與價帶中電子均最少故電子填充能

帶的水準最低EF 也最低弱 p 型中導帶和價

帶電子稍多能帶被電子填充的水準也稍高所以

EF 也升高無摻雜則 EF 在禁帶中線附近弱 n 型

導帶及價帶電子更多能帶被填充水準也更高EF

升到禁帶中線以上到強 n 型能帶被電子填充水

準最高EF 也最高

2-5-5 溫度對導電率的影響

σ = nqμn + pqμp

式中σ為導電率μn(μp)為遷移率p(n)為載子濃度

對本質半導體而言溫度升高時能帶會變

寬於是「傳導帶與價電帶之間」的能隙會略微縮

小EG下降價電子躍升為傳導電子的機率提升

使得導電粒子濃度提高對於外質半導體來說多

數載子濃度由雜質所決定與溫度無關少數載子

濃度則會因大量作用定律而增大

載子漂移是載子在原子間的流竄與碰撞當溫

度上升時原子晶格振動更加劇烈晶格(原子)間

空隙變窄於是載子碰撞晶格之機會增加而漂移減

速導致遷移率下降載子之遷移率除了受晶格散

射(lattice scattering)影響外尚有雜質散射(impurity

scattering)的因素雜質會造成晶格缺陷使得載子

運動受到干擾而減速摻雜濃度愈大雜質散射愈

嚴重遷移率也愈小

本質半導體中載子濃度p = n = ni 因溫度上升

時「本質濃度ni之增加率」比「遷移率之下降量」

大所以導電率隨升溫而提高外質半導體中多數

載子濃度源自於摻雜濃度與溫度無關故當溫度

上升時遷移率下降導電性也隨之變差

2-6 P-N Junction

一般實際應用上鮮少將半導體單獨使用而是

將 P 型半導體與 N 型半導體連結使用因此其原理

亦是非常重要

上圖為 pn 接面(pn junction)的示意圖此結構

中整個半導體為單晶材料其中一個區域參雜了

受體雜質成為 p 型區相鄰的區域則參雜了施體雜

質成為 n 型區p 型區與 n 型區的交界處稱為冶金

接面(metallurgical)為了簡化分析起見我們考慮

了一種所謂的階梯接面(step junction)其中n 型

區和 p 型區兩個區域的雜質濃度都是均勻的只有

在兩區域交界處有一個陡峭式的變化起初形成接

面時在冶金接面處有很大的電子及電洞的濃度梯

度因此 n 型區的多數載子電子會擴散至 p 型區

裡而 p 型區的多數載子電洞會擴散至 n 型區裡

由於此半導體結構並沒有外部電路的連接來導通

電流因此此擴散過程不會持續至完全抵消進

一步分析可知當電子因擴散而離開 n 型區時會

留下帶正電的施體離子類似地當電洞因擴散而

離開 p 型區時會留下帶正電的受體離子這些分

別在 n 型區及 p 型區未被電子電洞屏蔽的正電荷

及負電荷會在接近冶金接面的地方產生一個由正

電荷指向負電荷的電場(n 型區指向 p 型區)

這些分別具有正電荷與負電荷的區域如上圖

所示稱為空間電荷區(space charge region)一般

來說空間電荷區的電子或電洞都會被電場所掃

除由於空間電荷區缺乏可移動的電荷因此這個

區域也常稱為空乏區(depletion region)

可以想見在空間電荷區的兩個邊緣處仍舊有

多數載子的濃度梯度存在著我們可以認為濃度梯

度會產生一個作用在多數載子的「擴散力」而在

空間電荷區中的電場則會產生作用於電子或電洞

的電場力對電子或電洞來說這個電場力的方向

恰與作用它的擴散力的方向相反而達平衡時分

別做用在電子或電洞的擴散力和電場力會相互抵

消掉

n 型區中傳導帶上的電子想要移動到 p 型區成

為可傳導的電子需要跨越一個電位障礙這個電

位障礙稱為內建電位障(build-in potential)通常以

符號 Vbi 表示內建電位障維持住在 n 型區中多數

載子的電子與在 p 型區中少數載子的電子之間的平

衡關係也維持住在 p 型區中多數載子的電洞與在

n 型區中少數載子的電洞之間的平衡關係此用以

維持載子平衡關係的內建電位障並不會造成電

流而且這個跨越接面的電位無法使用電壓表量

測因量測時電表兩個探針和半導體之間會產生

抵消掉 Vbi 的新電位障因此無法直接測得 Vbi

在 pn 接面兩端接上外加電壓可進行電流的

流動與阻斷如下圖所示為 pn 接面分別接上正向

偏壓(Forward bias)與逆向偏壓(Reverse bias)的串接

方法

且在 pn 接面的理想電流-電壓具以下關係

pn 接面在電子元件中最簡單的應用為一種

電流的開關如上所述在正向偏壓連接 pn 接面

時迴圈具有電流通過而在逆向偏壓連接 pn 接

面時電流即被阻斷當我們輸入的電壓為交流電

時電壓方向每秒以百萬次的改變方向在此同時

一個簡單的 pn 接面亦將電流開關了百萬次比起

傳統所使用的機械開關每秒數次的開關電流上

個世紀中半導體的問世使得「控制技術」有革命性

的突破

三半導體製程-蝕刻技術簡介 謝明偉

3-1 前言

在航空機械及化學工業中蝕刻技術(etching)

被廣泛地使用於減輕重量(weight reduction)儀器

鑲板及傳統方法難以加工之薄形元件的製作在半

導體製程上蝕刻更是不可或缺的技術在積體電

路(IC)的製造過程中需要在晶圓上刻劃出極細微

尺寸的圖案這些圖案的形成方式是藉由蝕刻將

經過微光刻技術(micro-lithography)製作出的光阻

圖案忠實地轉印到光阻材料上以形成 IC 的複

雜架構

簡單來說蝕刻是利用化學反應或物理撞擊來

移除晶圓表面材料的過程根據需求可分為將材

質做整面均勻移除及圖案選擇性的部份去除等技

術依發展先後蝕刻可分為濕蝕刻(wet etching)

及乾蝕刻(dry etching)兩類

3-2 濕蝕刻

早期的半導體製程是採用濕式蝕刻利用特定

的溶液與晶圓片未被光阻覆蓋的部分發生化學反

應分解薄膜表面上的材料並轉成可溶於此溶液

的化合物後加以排除達成蝕刻的目的

因為濕蝕刻是利用化學反應來進行薄膜的去

除而化學反應本身不具有方向性因此濕蝕刻過

程是等向性的(isotropic)亦即當蝕刻溶液做縱向蝕

刻時側向的蝕刻也會同時發生(如圖 1 所示)導

致所謂的底切(undercut)現象線寬因此失真造成

圖形無法精確地轉移至晶片上

圖 1 等向性蝕刻- 蝕刻在各個方向上發生

在 1980 年以前濕蝕刻這項技術被廣泛地使

用在晶圓製造廠(FAB)中隨著 IC 元件尺寸越做越

小在次微米元件的製程中濕蝕刻已無法精確轉

印圖樣到晶片上慢慢地被乾蝕刻取代然而在

3μm 以上線寬的需求下濕蝕刻仍然是一項十分有

用的技術濕式蝕刻的過程主要可分為三個步驟

(1)化學蝕刻液擴散至待蝕刻材料的表面

(2)蝕刻液與材料發生化學反應

(3)反應後的產物從蝕刻材料的表面擴散到溶液

中並隨溶液排出

濕蝕刻的速率可藉由改變溶液濃度及調整溫

度予以控制對於一種特定的被蝕刻材料通常可

以找到一種能快速有效蝕刻且不致蝕刻其它材料

的蝕刻液因此通常濕蝕刻對不同材料會有相當高

的選擇性(selectivity)選擇性是指蝕刻材料的蝕刻

速率對遮罩或底層蝕刻速率的比值

當使用 HF 作為蝕刻液可以有效地蝕刻 Si 晶

圓上的 SiO2層發生下面這個反應

OHSiFHHFSiO 2622 26

其中 H2SiF6可溶於水中HF 相對較難浸蝕 SiO2底

下的純 Si 基質溶液濃度的改變可控制反應物質到

達及離開待蝕刻物表面的速率一般當溶液濃度增

加時蝕刻速率將會變高升高溶液的溫度可加速

化學反應速率進而提升蝕刻速率

濕蝕刻之所以在微電子製作過程中被廣泛採

用乃因為其具有低成本高可靠性高產能及優越

的蝕刻選擇性等優點但相對於乾蝕刻除了無法

定義較細的線寬外濕蝕刻仍有以下的缺點

(1)需使用大量的化學溶液及去離子水

(2)光阻附著性問題

(3)氣泡形成及蝕刻液無法完全與晶圓表面接觸所

造成的不均勻蝕刻

(4)高度化學品的使用造成污染問題

3-3 乾蝕刻

乾蝕刻是利用氣態的蝕刻液與材料發生反

應浸蝕出需要的圖樣後產生容易移除的揮發性副

產物完成蝕刻的目的自 1970 年代以來元件

製造開始採用電漿蝕刻技術在現今的 IC 製程中

必須精確控制各種材料尺寸至次微米大小且該過

程要有極高的再現性而電漿蝕刻是現今能高效率

地完成這項任務的方法之一因而逐漸成為 IC 製

程中的主要技術最常見的乾蝕刻即是電漿蝕刻

圖 2 為乾蝕刻系統示意圖

圖 2 乾蝕刻系統

電漿是一種透過輝光放電游離氣體分子後所

產生的高溫離子電子及具有高度化學活性自由基

的離子氣團因內含反應性很高的粒子電漿與待

蝕刻材料的化學反應速率非常快具有很高的蝕刻

效率離子團與薄膜表面反應後形成揮發性產物

被真空幫浦抽走完成化學蝕刻電漿蝕刻與濕蝕

刻都具有等向性和覆蓋層下薄膜的底切問題由於

電漿離子和晶片表面的有效接觸面積比濕蝕刻溶

液分子還大蝕刻效率較濕蝕刻要高

另一種乾蝕刻技術是將惰性的氣體分子如 Ar

施以電壓利用衍生的二次電子將氣體分子解離或

激發成各種不同的粒子包括自由基電子及正離

子等正離子被電極板間的電場加速濺擊被蝕刻

物這種機制為物理性蝕刻具有非常好的方向性

(垂直方向)

乾蝕刻的最大優點是非等向性(anisotropic)圖

3 為濕蝕刻與乾蝕刻的比較然而物理蝕刻的選

擇性比濕蝕刻低因為乾蝕刻機制中的離子不但會

撞擊被蝕刻的薄膜同時也會撞擊光阻罩幕被擊

出的光阻材質為非揮發性較難移除又覆蓋在薄

膜表面上降低蝕刻效率

目前最為各 FAB 廣泛使用的技術是結合物

理性的粒子濺擊與電漿離子的化學複合蝕刻稱為

反應性離子蝕刻(reactive ion etching RIE)這種方

式兼具非等向性與高蝕刻選擇性的雙重優點蝕刻

的進行主要靠化學反應來達成以獲得高選擇性

加入離子轟擊的作用有二一是將被蝕刻材質表面

的原子鍵結破壞加速反應速率二是將再沈積於

被蝕刻表面的產物或聚合物打掉以使被蝕刻表面

能再與氣體接觸而非等向性蝕刻的達成是靠再

沈積的產物或聚合物沈積在蝕刻圖形上在表面

的沈積物可被離子打掉故蝕刻可以繼續進行而

在側壁上的沈積物因未受離子轟擊而保留下來

阻隔了蝕刻表面與反應氣體的接觸使得側壁不受

蝕刻而獲得非等向性蝕刻

圖 3 濕蝕刻與乾蝕刻的比較圖

(a)蝕刻前(b)濕蝕刻(c)乾蝕刻剖面圖

應用乾式蝕刻需要注意蝕刻速率均勻度選

擇性及蝕刻輪廓等蝕刻速率愈快則設備產能愈

快有助於降低成本及提升競爭力蝕刻速率通常

可藉由氣體種類流量電漿源及偏壓功率所控

制在其他因素尚可接受的條件下越快越好均

勻度是晶片上不同位置的蝕刻率差異的一個指

標較佳的均勻度意謂晶圓將有較佳的 yield尤其

當晶圓從 3 吋4 吋一直到 12 吋時面積越大

均勻度的控制就顯得更加重要蝕刻輪廓一般而言

愈接近九十度愈佳除了少數特例如接觸窗或介

層洞(contact window and via hole)為了使後續金屬

濺鍍能有較佳的階梯覆蓋能力(step coverage)而故

意使其蝕刻輪廓小於九十度通常控制蝕刻輪廓可

從氣體種類比例及偏壓功率來進行電漿離子

的濃度和能量是決定蝕刻速率的兩大要素為了增

加離子的濃度在乾式蝕刻系統設計了兩種輔助設

備電子迴轉加速器(electron cyclotron)以及磁圈

(magnet coil)前者是利用 254GHz 的微波來增加

電子與氣體分子的碰撞機率而後者則是在真空腔

旁加入一個與二次電子運動方向垂直的磁場使得

電子以螺旋狀的行徑來增加與氣體分子的碰撞機

率

3-4 先進蝕刻技術

RIE 技術隨著科技的發展已有多種改良模式及

加裝各種輔助裝置以製造出更高需求的元件材

料例如高電漿密度系統的使用改善了傳統

RIE 操作上壓力高無法達到垂直側壁蝕刻以及在

大尺寸晶圓上不易維持良好的均勻度的缺點

MERIE (magnetic enhanced RIE)是在傳統的 RIE

中加上永久磁鐵或線圈產生與晶片平行的磁

場而此磁場與電場垂直因為自生電壓(self bias)

垂直於晶片電子在此磁場下將以螺旋方式移

動如此一來將會減少電子撞擊腔壁並增加電子

與離子碰撞的機會產生較高密度的電漿然而因

為磁場的存在將使離子與電子偏折方向不同而分

離造成不均勻及天線效應的發生因此磁場常

設計為旋轉磁場MERIE 的操作壓力與 RIE 相

似約在 001~1Torr 之間當蝕刻尺寸小於 05μm

以下時須以較低的氣體壓力以提供離子較長的自

由路徑確保蝕刻的垂直度因氣體壓力較低電

漿密度也隨著降低因而蝕刻效率較差所以較不

適合用於小於 05μm 以下的蝕刻

電子迴旋共振式離子反應電漿蝕刻(Electron

Cyclotron Resonance Plasma Etching簡稱 ECR

Plasma Etching)ECR 是利用微波及外加磁場來產

生高密度電漿電子迴旋頻率可以下列方程式表

示r

ve

其中 是電子速度ev r 是電子迴旋半徑另外電子

迴旋是靠勞倫茲力所達成亦即

r

vmBevF ee

e

2

其中 是電子電荷 為電子質量e em B 是外加

磁場可得eB

vmr ee

將 r 代入迴旋頻率式中可得

em

eB

當此頻率 等於所加的微波頻率時外加電場與電

子能量發生共振耦合因而產生高的密度電漿

ECR 的設備共有二個腔一個是電漿產生腔

另一個是擴散腔微波藉由微波導管穿越石英或

氧化鋁做成的窗進入電漿產生腔中另外磁場隨著

與磁場線圈距離增大而縮小電子便隨著此不同的

磁場變化而向晶片移動正離子則是靠濃度不同而

向晶片擴散通常在晶片上也會施加一個 radio

frequency (RF)或直流偏壓用來加速離子提供離

子撞擊晶片的能量藉此達到非等向性蝕刻的效

果

3-5 結論

蝕刻是半導體製造過程中相當重要的一步將

晶圓上的某一部份物質去除保留有作用的線路

以便接下來的製程與測試濕蝕刻為傳統元件的製

作技術它利用化學溶液對晶圓片各部位不同材質

的反應性不同達到選擇性蝕刻的目的然而因為

等向性的問題濕蝕刻在現今技術的使用上已不普

遍當元件越做越小而晶圓尺寸愈來越大時蝕

刻的精準度和均勻度就變得非常重要乾蝕刻在完

成上述需求相對地就可靠許多(上表為濕蝕刻與乾

蝕刻各方面的比較)乾蝕刻的機制上主要可分為三

種化學蝕刻物理蝕刻及RIE目前以RIE最被各

大晶圓廠廣泛使用ECR Plasma Etching在接近晶

圓表面電磁場的分佈可由第二組線圈來調整達到

均勻的離子轟擊是製造出高需求元件材料的重要

技術

四IC 積體電路 劉紀顯

1930 年代歐洲科學發展逐漸以元素周期表

中的半導體各族為主軸利用 Ge 或 Si 等等的半導

體材料經過一連串的實驗與嘗試逐漸修正原有

的缺陷而產生單晶矽晶圓通常單晶矽晶圓被用來

當作基底通常在一開始的矽晶片的部分作完基

礎的清洗後就是鍍上金屬薄層接著塗上遮蓋

劑以光罩將晶片做出理想設計中的曝光之後再

將未曝光部分以酸洗掉接著研磨成平面重複類

似的步驟數次才能得到一片理想的晶圓在一連

串的製作過程之中又有以下三個步驟是最為重要

的決定性步驟影響整片晶圓的優劣性質

5-1 成像

以 5雙氧水與 5的氨水混合溶液清洗晶圓

表面再以去離子水沖洗其次以 4雙氧水與 46

的鹽酸水溶液清洗晶圓表面以中和酸鹼值將晶圓

表面的雜質完全去除掉之後將晶圓送入高溫爐

以攝氏 800~1000 度的高溫通入氧氣使晶圓表面產

生一片薄薄的二氧化矽層接著開始在二氧化矽

層上刻出所需要的窗口使雜質透過窗口擴散至矽

基板內其他的部份由於有二氧化矽層在有良好

的遮蔽效果至此成像的步驟已經算是告一個段

落

4-2沉積

即指用光電熱等等不同的方式使欲沉積

的氣態物質能夠在矽晶圓表面上產生化學反應而

呈現固態的沉積效果可將其視為一種鍍膜的技

術由於這種方式能夠鍍出穩定的固態膜所以是

積體電路中非常重要的一個環節步驟其全名為

Chemical Vapor Deposition常稱為化學氣相沉積

法而在現在的科技工業應用上最常用的沉積方

式又有四種

(1) APCVD（室壓化氣沉積法）

此種方法最大的優點為沉積速率極快大約

10~17nms但因速率甚快所以在沉積過程中各

分子容易彼此碰撞而成核最後會有微粒雜質的產

生故通常只用在做保護層因其對微粒雜質的接

受度相對較高也可省去較多時間去製作其他部

分

(2) LPCVD（低壓化氣沉積法）

以此方法進行沉積效果時反應環境內的氣壓

必須被調低到 100torr 以下也因此用此反應來沉

積時其反應的速度比 APCVD 要慢的多但也因

此其所沉積出的膜面較為均勻細緻也能有較全

面的覆蓋效果而不會產生過多的微細粒子

留下帶正電的施體離子類似地當電洞因擴散而

離開 p 型區時會留下帶正電的受體離子這些分

別在 n 型區及 p 型區未被電子電洞屏蔽的正電荷

及負電荷會在接近冶金接面的地方產生一個由正

電荷指向負電荷的電場(n 型區指向 p 型區)

這些分別具有正電荷與負電荷的區域如上圖

所示稱為空間電荷區(space charge region)一般

來說空間電荷區的電子或電洞都會被電場所掃

除由於空間電荷區缺乏可移動的電荷因此這個

區域也常稱為空乏區(depletion region)

可以想見在空間電荷區的兩個邊緣處仍舊有

多數載子的濃度梯度存在著我們可以認為濃度梯

度會產生一個作用在多數載子的「擴散力」而在

空間電荷區中的電場則會產生作用於電子或電洞

的電場力對電子或電洞來說這個電場力的方向

恰與作用它的擴散力的方向相反而達平衡時分

別做用在電子或電洞的擴散力和電場力會相互抵

消掉

n 型區中傳導帶上的電子想要移動到 p 型區成

為可傳導的電子需要跨越一個電位障礙這個電

位障礙稱為內建電位障(build-in potential)通常以

符號 Vbi 表示內建電位障維持住在 n 型區中多數

載子的電子與在 p 型區中少數載子的電子之間的平

衡關係也維持住在 p 型區中多數載子的電洞與在

n 型區中少數載子的電洞之間的平衡關係此用以

維持載子平衡關係的內建電位障並不會造成電

流而且這個跨越接面的電位無法使用電壓表量

測因量測時電表兩個探針和半導體之間會產生

抵消掉 Vbi 的新電位障因此無法直接測得 Vbi

在 pn 接面兩端接上外加電壓可進行電流的

流動與阻斷如下圖所示為 pn 接面分別接上正向

偏壓(Forward bias)與逆向偏壓(Reverse bias)的串接

方法

且在 pn 接面的理想電流-電壓具以下關係

pn 接面在電子元件中最簡單的應用為一種

電流的開關如上所述在正向偏壓連接 pn 接面

時迴圈具有電流通過而在逆向偏壓連接 pn 接

面時電流即被阻斷當我們輸入的電壓為交流電

時電壓方向每秒以百萬次的改變方向在此同時

一個簡單的 pn 接面亦將電流開關了百萬次比起

傳統所使用的機械開關每秒數次的開關電流上

個世紀中半導體的問世使得「控制技術」有革命性

的突破

三半導體製程-蝕刻技術簡介 謝明偉

3-1 前言

在航空機械及化學工業中蝕刻技術(etching)

被廣泛地使用於減輕重量(weight reduction)儀器

鑲板及傳統方法難以加工之薄形元件的製作在半

導體製程上蝕刻更是不可或缺的技術在積體電

路(IC)的製造過程中需要在晶圓上刻劃出極細微

尺寸的圖案這些圖案的形成方式是藉由蝕刻將

經過微光刻技術(micro-lithography)製作出的光阻

圖案忠實地轉印到光阻材料上以形成 IC 的複

雜架構

簡單來說蝕刻是利用化學反應或物理撞擊來

移除晶圓表面材料的過程根據需求可分為將材

質做整面均勻移除及圖案選擇性的部份去除等技

術依發展先後蝕刻可分為濕蝕刻(wet etching)

及乾蝕刻(dry etching)兩類

3-2 濕蝕刻

早期的半導體製程是採用濕式蝕刻利用特定

的溶液與晶圓片未被光阻覆蓋的部分發生化學反

應分解薄膜表面上的材料並轉成可溶於此溶液

的化合物後加以排除達成蝕刻的目的

因為濕蝕刻是利用化學反應來進行薄膜的去

除而化學反應本身不具有方向性因此濕蝕刻過

程是等向性的(isotropic)亦即當蝕刻溶液做縱向蝕

刻時側向的蝕刻也會同時發生(如圖 1 所示)導

致所謂的底切(undercut)現象線寬因此失真造成

圖形無法精確地轉移至晶片上

圖 1 等向性蝕刻- 蝕刻在各個方向上發生

在 1980 年以前濕蝕刻這項技術被廣泛地使

用在晶圓製造廠(FAB)中隨著 IC 元件尺寸越做越

小在次微米元件的製程中濕蝕刻已無法精確轉

印圖樣到晶片上慢慢地被乾蝕刻取代然而在

3μm 以上線寬的需求下濕蝕刻仍然是一項十分有

用的技術濕式蝕刻的過程主要可分為三個步驟

(1)化學蝕刻液擴散至待蝕刻材料的表面

(2)蝕刻液與材料發生化學反應

(3)反應後的產物從蝕刻材料的表面擴散到溶液

中並隨溶液排出

濕蝕刻的速率可藉由改變溶液濃度及調整溫

度予以控制對於一種特定的被蝕刻材料通常可

以找到一種能快速有效蝕刻且不致蝕刻其它材料

的蝕刻液因此通常濕蝕刻對不同材料會有相當高

的選擇性(selectivity)選擇性是指蝕刻材料的蝕刻

速率對遮罩或底層蝕刻速率的比值

當使用 HF 作為蝕刻液可以有效地蝕刻 Si 晶

圓上的 SiO2層發生下面這個反應

OHSiFHHFSiO 2622 26

其中 H2SiF6可溶於水中HF 相對較難浸蝕 SiO2底

下的純 Si 基質溶液濃度的改變可控制反應物質到

達及離開待蝕刻物表面的速率一般當溶液濃度增

加時蝕刻速率將會變高升高溶液的溫度可加速

化學反應速率進而提升蝕刻速率

濕蝕刻之所以在微電子製作過程中被廣泛採

用乃因為其具有低成本高可靠性高產能及優越

的蝕刻選擇性等優點但相對於乾蝕刻除了無法

定義較細的線寬外濕蝕刻仍有以下的缺點

(1)需使用大量的化學溶液及去離子水

(2)光阻附著性問題

(3)氣泡形成及蝕刻液無法完全與晶圓表面接觸所

造成的不均勻蝕刻

(4)高度化學品的使用造成污染問題

3-3 乾蝕刻

乾蝕刻是利用氣態的蝕刻液與材料發生反

應浸蝕出需要的圖樣後產生容易移除的揮發性副

產物完成蝕刻的目的自 1970 年代以來元件

製造開始採用電漿蝕刻技術在現今的 IC 製程中

必須精確控制各種材料尺寸至次微米大小且該過

程要有極高的再現性而電漿蝕刻是現今能高效率

地完成這項任務的方法之一因而逐漸成為 IC 製

程中的主要技術最常見的乾蝕刻即是電漿蝕刻

圖 2 為乾蝕刻系統示意圖

圖 2 乾蝕刻系統

電漿是一種透過輝光放電游離氣體分子後所

產生的高溫離子電子及具有高度化學活性自由基

的離子氣團因內含反應性很高的粒子電漿與待

蝕刻材料的化學反應速率非常快具有很高的蝕刻

效率離子團與薄膜表面反應後形成揮發性產物

被真空幫浦抽走完成化學蝕刻電漿蝕刻與濕蝕

刻都具有等向性和覆蓋層下薄膜的底切問題由於

電漿離子和晶片表面的有效接觸面積比濕蝕刻溶

液分子還大蝕刻效率較濕蝕刻要高

另一種乾蝕刻技術是將惰性的氣體分子如 Ar

施以電壓利用衍生的二次電子將氣體分子解離或

激發成各種不同的粒子包括自由基電子及正離

子等正離子被電極板間的電場加速濺擊被蝕刻

物這種機制為物理性蝕刻具有非常好的方向性

(垂直方向)

乾蝕刻的最大優點是非等向性(anisotropic)圖

3 為濕蝕刻與乾蝕刻的比較然而物理蝕刻的選

擇性比濕蝕刻低因為乾蝕刻機制中的離子不但會

撞擊被蝕刻的薄膜同時也會撞擊光阻罩幕被擊

出的光阻材質為非揮發性較難移除又覆蓋在薄

膜表面上降低蝕刻效率

目前最為各 FAB 廣泛使用的技術是結合物

理性的粒子濺擊與電漿離子的化學複合蝕刻稱為

反應性離子蝕刻(reactive ion etching RIE)這種方

式兼具非等向性與高蝕刻選擇性的雙重優點蝕刻

的進行主要靠化學反應來達成以獲得高選擇性

加入離子轟擊的作用有二一是將被蝕刻材質表面

的原子鍵結破壞加速反應速率二是將再沈積於

被蝕刻表面的產物或聚合物打掉以使被蝕刻表面

能再與氣體接觸而非等向性蝕刻的達成是靠再

沈積的產物或聚合物沈積在蝕刻圖形上在表面

的沈積物可被離子打掉故蝕刻可以繼續進行而

在側壁上的沈積物因未受離子轟擊而保留下來

阻隔了蝕刻表面與反應氣體的接觸使得側壁不受

蝕刻而獲得非等向性蝕刻

圖 3 濕蝕刻與乾蝕刻的比較圖

(a)蝕刻前(b)濕蝕刻(c)乾蝕刻剖面圖

應用乾式蝕刻需要注意蝕刻速率均勻度選

擇性及蝕刻輪廓等蝕刻速率愈快則設備產能愈

快有助於降低成本及提升競爭力蝕刻速率通常

可藉由氣體種類流量電漿源及偏壓功率所控

制在其他因素尚可接受的條件下越快越好均

勻度是晶片上不同位置的蝕刻率差異的一個指

標較佳的均勻度意謂晶圓將有較佳的 yield尤其

當晶圓從 3 吋4 吋一直到 12 吋時面積越大

均勻度的控制就顯得更加重要蝕刻輪廓一般而言

愈接近九十度愈佳除了少數特例如接觸窗或介

層洞(contact window and via hole)為了使後續金屬

濺鍍能有較佳的階梯覆蓋能力(step coverage)而故

意使其蝕刻輪廓小於九十度通常控制蝕刻輪廓可

從氣體種類比例及偏壓功率來進行電漿離子

的濃度和能量是決定蝕刻速率的兩大要素為了增

加離子的濃度在乾式蝕刻系統設計了兩種輔助設

備電子迴轉加速器(electron cyclotron)以及磁圈

(magnet coil)前者是利用 254GHz 的微波來增加

電子與氣體分子的碰撞機率而後者則是在真空腔

旁加入一個與二次電子運動方向垂直的磁場使得

電子以螺旋狀的行徑來增加與氣體分子的碰撞機

率

3-4 先進蝕刻技術

RIE 技術隨著科技的發展已有多種改良模式及

加裝各種輔助裝置以製造出更高需求的元件材

料例如高電漿密度系統的使用改善了傳統

RIE 操作上壓力高無法達到垂直側壁蝕刻以及在

大尺寸晶圓上不易維持良好的均勻度的缺點

MERIE (magnetic enhanced RIE)是在傳統的 RIE

中加上永久磁鐵或線圈產生與晶片平行的磁

場而此磁場與電場垂直因為自生電壓(self bias)

垂直於晶片電子在此磁場下將以螺旋方式移

動如此一來將會減少電子撞擊腔壁並增加電子

與離子碰撞的機會產生較高密度的電漿然而因

為磁場的存在將使離子與電子偏折方向不同而分

離造成不均勻及天線效應的發生因此磁場常

設計為旋轉磁場MERIE 的操作壓力與 RIE 相

似約在 001~1Torr 之間當蝕刻尺寸小於 05μm

以下時須以較低的氣體壓力以提供離子較長的自

由路徑確保蝕刻的垂直度因氣體壓力較低電

漿密度也隨著降低因而蝕刻效率較差所以較不

適合用於小於 05μm 以下的蝕刻

電子迴旋共振式離子反應電漿蝕刻(Electron

Cyclotron Resonance Plasma Etching簡稱 ECR

Plasma Etching)ECR 是利用微波及外加磁場來產

生高密度電漿電子迴旋頻率可以下列方程式表

示r

ve

其中 是電子速度ev r 是電子迴旋半徑另外電子

迴旋是靠勞倫茲力所達成亦即

r

vmBevF ee

e

2

其中 是電子電荷 為電子質量e em B 是外加

磁場可得eB

vmr ee

將 r 代入迴旋頻率式中可得

em

eB

當此頻率 等於所加的微波頻率時外加電場與電

子能量發生共振耦合因而產生高的密度電漿

ECR 的設備共有二個腔一個是電漿產生腔

另一個是擴散腔微波藉由微波導管穿越石英或

氧化鋁做成的窗進入電漿產生腔中另外磁場隨著

與磁場線圈距離增大而縮小電子便隨著此不同的

磁場變化而向晶片移動正離子則是靠濃度不同而

向晶片擴散通常在晶片上也會施加一個 radio

frequency (RF)或直流偏壓用來加速離子提供離

子撞擊晶片的能量藉此達到非等向性蝕刻的效

果

3-5 結論

蝕刻是半導體製造過程中相當重要的一步將

晶圓上的某一部份物質去除保留有作用的線路

以便接下來的製程與測試濕蝕刻為傳統元件的製

作技術它利用化學溶液對晶圓片各部位不同材質

的反應性不同達到選擇性蝕刻的目的然而因為

等向性的問題濕蝕刻在現今技術的使用上已不普

遍當元件越做越小而晶圓尺寸愈來越大時蝕

刻的精準度和均勻度就變得非常重要乾蝕刻在完

成上述需求相對地就可靠許多(上表為濕蝕刻與乾

蝕刻各方面的比較)乾蝕刻的機制上主要可分為三

種化學蝕刻物理蝕刻及RIE目前以RIE最被各

大晶圓廠廣泛使用ECR Plasma Etching在接近晶

圓表面電磁場的分佈可由第二組線圈來調整達到

均勻的離子轟擊是製造出高需求元件材料的重要

技術

四IC 積體電路 劉紀顯

1930 年代歐洲科學發展逐漸以元素周期表

中的半導體各族為主軸利用 Ge 或 Si 等等的半導

體材料經過一連串的實驗與嘗試逐漸修正原有

的缺陷而產生單晶矽晶圓通常單晶矽晶圓被用來

當作基底通常在一開始的矽晶片的部分作完基

礎的清洗後就是鍍上金屬薄層接著塗上遮蓋

劑以光罩將晶片做出理想設計中的曝光之後再

將未曝光部分以酸洗掉接著研磨成平面重複類

似的步驟數次才能得到一片理想的晶圓在一連

串的製作過程之中又有以下三個步驟是最為重要

的決定性步驟影響整片晶圓的優劣性質

5-1 成像

以 5雙氧水與 5的氨水混合溶液清洗晶圓

表面再以去離子水沖洗其次以 4雙氧水與 46

的鹽酸水溶液清洗晶圓表面以中和酸鹼值將晶圓

表面的雜質完全去除掉之後將晶圓送入高溫爐

以攝氏 800~1000 度的高溫通入氧氣使晶圓表面產

生一片薄薄的二氧化矽層接著開始在二氧化矽

層上刻出所需要的窗口使雜質透過窗口擴散至矽

基板內其他的部份由於有二氧化矽層在有良好

的遮蔽效果至此成像的步驟已經算是告一個段

落

4-2沉積

即指用光電熱等等不同的方式使欲沉積

的氣態物質能夠在矽晶圓表面上產生化學反應而

呈現固態的沉積效果可將其視為一種鍍膜的技

術由於這種方式能夠鍍出穩定的固態膜所以是

積體電路中非常重要的一個環節步驟其全名為

Chemical Vapor Deposition常稱為化學氣相沉積

法而在現在的科技工業應用上最常用的沉積方

式又有四種

(1) APCVD（室壓化氣沉積法）

此種方法最大的優點為沉積速率極快大約

10~17nms但因速率甚快所以在沉積過程中各

分子容易彼此碰撞而成核最後會有微粒雜質的產

生故通常只用在做保護層因其對微粒雜質的接

受度相對較高也可省去較多時間去製作其他部

分

(2) LPCVD（低壓化氣沉積法）

以此方法進行沉積效果時反應環境內的氣壓

必須被調低到 100torr 以下也因此用此反應來沉

積時其反應的速度比 APCVD 要慢的多但也因

此其所沉積出的膜面較為均勻細緻也能有較全

面的覆蓋效果而不會產生過多的微細粒子

的突破

三半導體製程-蝕刻技術簡介 謝明偉

3-1 前言

在航空機械及化學工業中蝕刻技術(etching)

被廣泛地使用於減輕重量(weight reduction)儀器

鑲板及傳統方法難以加工之薄形元件的製作在半

導體製程上蝕刻更是不可或缺的技術在積體電

路(IC)的製造過程中需要在晶圓上刻劃出極細微

尺寸的圖案這些圖案的形成方式是藉由蝕刻將

經過微光刻技術(micro-lithography)製作出的光阻

圖案忠實地轉印到光阻材料上以形成 IC 的複

雜架構

簡單來說蝕刻是利用化學反應或物理撞擊來

移除晶圓表面材料的過程根據需求可分為將材

質做整面均勻移除及圖案選擇性的部份去除等技

術依發展先後蝕刻可分為濕蝕刻(wet etching)

及乾蝕刻(dry etching)兩類

3-2 濕蝕刻

早期的半導體製程是採用濕式蝕刻利用特定

的溶液與晶圓片未被光阻覆蓋的部分發生化學反

應分解薄膜表面上的材料並轉成可溶於此溶液

的化合物後加以排除達成蝕刻的目的

因為濕蝕刻是利用化學反應來進行薄膜的去

除而化學反應本身不具有方向性因此濕蝕刻過

程是等向性的(isotropic)亦即當蝕刻溶液做縱向蝕

刻時側向的蝕刻也會同時發生(如圖 1 所示)導

致所謂的底切(undercut)現象線寬因此失真造成

圖形無法精確地轉移至晶片上

圖 1 等向性蝕刻- 蝕刻在各個方向上發生

在 1980 年以前濕蝕刻這項技術被廣泛地使

用在晶圓製造廠(FAB)中隨著 IC 元件尺寸越做越

小在次微米元件的製程中濕蝕刻已無法精確轉

印圖樣到晶片上慢慢地被乾蝕刻取代然而在

3μm 以上線寬的需求下濕蝕刻仍然是一項十分有

用的技術濕式蝕刻的過程主要可分為三個步驟

(1)化學蝕刻液擴散至待蝕刻材料的表面

(2)蝕刻液與材料發生化學反應

(3)反應後的產物從蝕刻材料的表面擴散到溶液

中並隨溶液排出

濕蝕刻的速率可藉由改變溶液濃度及調整溫

度予以控制對於一種特定的被蝕刻材料通常可

以找到一種能快速有效蝕刻且不致蝕刻其它材料

的蝕刻液因此通常濕蝕刻對不同材料會有相當高

的選擇性(selectivity)選擇性是指蝕刻材料的蝕刻

速率對遮罩或底層蝕刻速率的比值

當使用 HF 作為蝕刻液可以有效地蝕刻 Si 晶

圓上的 SiO2層發生下面這個反應

OHSiFHHFSiO 2622 26

其中 H2SiF6可溶於水中HF 相對較難浸蝕 SiO2底

下的純 Si 基質溶液濃度的改變可控制反應物質到

達及離開待蝕刻物表面的速率一般當溶液濃度增

加時蝕刻速率將會變高升高溶液的溫度可加速

化學反應速率進而提升蝕刻速率

濕蝕刻之所以在微電子製作過程中被廣泛採

用乃因為其具有低成本高可靠性高產能及優越

的蝕刻選擇性等優點但相對於乾蝕刻除了無法

定義較細的線寬外濕蝕刻仍有以下的缺點

(1)需使用大量的化學溶液及去離子水

(2)光阻附著性問題

(3)氣泡形成及蝕刻液無法完全與晶圓表面接觸所

造成的不均勻蝕刻

(4)高度化學品的使用造成污染問題

3-3 乾蝕刻

乾蝕刻是利用氣態的蝕刻液與材料發生反

應浸蝕出需要的圖樣後產生容易移除的揮發性副

產物完成蝕刻的目的自 1970 年代以來元件

製造開始採用電漿蝕刻技術在現今的 IC 製程中

必須精確控制各種材料尺寸至次微米大小且該過

程要有極高的再現性而電漿蝕刻是現今能高效率

地完成這項任務的方法之一因而逐漸成為 IC 製

程中的主要技術最常見的乾蝕刻即是電漿蝕刻

圖 2 為乾蝕刻系統示意圖

圖 2 乾蝕刻系統

電漿是一種透過輝光放電游離氣體分子後所

產生的高溫離子電子及具有高度化學活性自由基

的離子氣團因內含反應性很高的粒子電漿與待

蝕刻材料的化學反應速率非常快具有很高的蝕刻

效率離子團與薄膜表面反應後形成揮發性產物

被真空幫浦抽走完成化學蝕刻電漿蝕刻與濕蝕

刻都具有等向性和覆蓋層下薄膜的底切問題由於

電漿離子和晶片表面的有效接觸面積比濕蝕刻溶

液分子還大蝕刻效率較濕蝕刻要高

另一種乾蝕刻技術是將惰性的氣體分子如 Ar

施以電壓利用衍生的二次電子將氣體分子解離或

激發成各種不同的粒子包括自由基電子及正離

子等正離子被電極板間的電場加速濺擊被蝕刻

物這種機制為物理性蝕刻具有非常好的方向性

(垂直方向)

乾蝕刻的最大優點是非等向性(anisotropic)圖

3 為濕蝕刻與乾蝕刻的比較然而物理蝕刻的選

擇性比濕蝕刻低因為乾蝕刻機制中的離子不但會

撞擊被蝕刻的薄膜同時也會撞擊光阻罩幕被擊

出的光阻材質為非揮發性較難移除又覆蓋在薄

膜表面上降低蝕刻效率

目前最為各 FAB 廣泛使用的技術是結合物

理性的粒子濺擊與電漿離子的化學複合蝕刻稱為

反應性離子蝕刻(reactive ion etching RIE)這種方

式兼具非等向性與高蝕刻選擇性的雙重優點蝕刻

的進行主要靠化學反應來達成以獲得高選擇性

加入離子轟擊的作用有二一是將被蝕刻材質表面

的原子鍵結破壞加速反應速率二是將再沈積於

被蝕刻表面的產物或聚合物打掉以使被蝕刻表面

能再與氣體接觸而非等向性蝕刻的達成是靠再

沈積的產物或聚合物沈積在蝕刻圖形上在表面

的沈積物可被離子打掉故蝕刻可以繼續進行而

在側壁上的沈積物因未受離子轟擊而保留下來

阻隔了蝕刻表面與反應氣體的接觸使得側壁不受

蝕刻而獲得非等向性蝕刻

圖 3 濕蝕刻與乾蝕刻的比較圖

(a)蝕刻前(b)濕蝕刻(c)乾蝕刻剖面圖

應用乾式蝕刻需要注意蝕刻速率均勻度選

擇性及蝕刻輪廓等蝕刻速率愈快則設備產能愈

快有助於降低成本及提升競爭力蝕刻速率通常

可藉由氣體種類流量電漿源及偏壓功率所控

制在其他因素尚可接受的條件下越快越好均

勻度是晶片上不同位置的蝕刻率差異的一個指

標較佳的均勻度意謂晶圓將有較佳的 yield尤其

當晶圓從 3 吋4 吋一直到 12 吋時面積越大

均勻度的控制就顯得更加重要蝕刻輪廓一般而言

愈接近九十度愈佳除了少數特例如接觸窗或介

層洞(contact window and via hole)為了使後續金屬

濺鍍能有較佳的階梯覆蓋能力(step coverage)而故

意使其蝕刻輪廓小於九十度通常控制蝕刻輪廓可

從氣體種類比例及偏壓功率來進行電漿離子

的濃度和能量是決定蝕刻速率的兩大要素為了增

加離子的濃度在乾式蝕刻系統設計了兩種輔助設

備電子迴轉加速器(electron cyclotron)以及磁圈

(magnet coil)前者是利用 254GHz 的微波來增加

電子與氣體分子的碰撞機率而後者則是在真空腔

旁加入一個與二次電子運動方向垂直的磁場使得

電子以螺旋狀的行徑來增加與氣體分子的碰撞機

率

3-4 先進蝕刻技術

RIE 技術隨著科技的發展已有多種改良模式及

加裝各種輔助裝置以製造出更高需求的元件材

料例如高電漿密度系統的使用改善了傳統

RIE 操作上壓力高無法達到垂直側壁蝕刻以及在

大尺寸晶圓上不易維持良好的均勻度的缺點

MERIE (magnetic enhanced RIE)是在傳統的 RIE

中加上永久磁鐵或線圈產生與晶片平行的磁

場而此磁場與電場垂直因為自生電壓(self bias)

垂直於晶片電子在此磁場下將以螺旋方式移

動如此一來將會減少電子撞擊腔壁並增加電子

與離子碰撞的機會產生較高密度的電漿然而因

為磁場的存在將使離子與電子偏折方向不同而分

離造成不均勻及天線效應的發生因此磁場常

設計為旋轉磁場MERIE 的操作壓力與 RIE 相

似約在 001~1Torr 之間當蝕刻尺寸小於 05μm

以下時須以較低的氣體壓力以提供離子較長的自

由路徑確保蝕刻的垂直度因氣體壓力較低電

漿密度也隨著降低因而蝕刻效率較差所以較不

適合用於小於 05μm 以下的蝕刻

電子迴旋共振式離子反應電漿蝕刻(Electron

Cyclotron Resonance Plasma Etching簡稱 ECR

Plasma Etching)ECR 是利用微波及外加磁場來產

生高密度電漿電子迴旋頻率可以下列方程式表

示r

ve

其中 是電子速度ev r 是電子迴旋半徑另外電子

迴旋是靠勞倫茲力所達成亦即

r

vmBevF ee

e

2

其中 是電子電荷 為電子質量e em B 是外加

磁場可得eB

vmr ee

將 r 代入迴旋頻率式中可得

em

eB

當此頻率 等於所加的微波頻率時外加電場與電

子能量發生共振耦合因而產生高的密度電漿

ECR 的設備共有二個腔一個是電漿產生腔

另一個是擴散腔微波藉由微波導管穿越石英或

氧化鋁做成的窗進入電漿產生腔中另外磁場隨著

與磁場線圈距離增大而縮小電子便隨著此不同的

磁場變化而向晶片移動正離子則是靠濃度不同而

向晶片擴散通常在晶片上也會施加一個 radio

frequency (RF)或直流偏壓用來加速離子提供離

子撞擊晶片的能量藉此達到非等向性蝕刻的效

果

3-5 結論

蝕刻是半導體製造過程中相當重要的一步將

晶圓上的某一部份物質去除保留有作用的線路

以便接下來的製程與測試濕蝕刻為傳統元件的製

作技術它利用化學溶液對晶圓片各部位不同材質

的反應性不同達到選擇性蝕刻的目的然而因為

等向性的問題濕蝕刻在現今技術的使用上已不普

遍當元件越做越小而晶圓尺寸愈來越大時蝕

刻的精準度和均勻度就變得非常重要乾蝕刻在完

成上述需求相對地就可靠許多(上表為濕蝕刻與乾

蝕刻各方面的比較)乾蝕刻的機制上主要可分為三

種化學蝕刻物理蝕刻及RIE目前以RIE最被各

大晶圓廠廣泛使用ECR Plasma Etching在接近晶

圓表面電磁場的分佈可由第二組線圈來調整達到

均勻的離子轟擊是製造出高需求元件材料的重要

技術

四IC 積體電路 劉紀顯

1930 年代歐洲科學發展逐漸以元素周期表

中的半導體各族為主軸利用 Ge 或 Si 等等的半導

體材料經過一連串的實驗與嘗試逐漸修正原有

的缺陷而產生單晶矽晶圓通常單晶矽晶圓被用來

當作基底通常在一開始的矽晶片的部分作完基

礎的清洗後就是鍍上金屬薄層接著塗上遮蓋

劑以光罩將晶片做出理想設計中的曝光之後再

將未曝光部分以酸洗掉接著研磨成平面重複類

似的步驟數次才能得到一片理想的晶圓在一連

串的製作過程之中又有以下三個步驟是最為重要

的決定性步驟影響整片晶圓的優劣性質

5-1 成像

以 5雙氧水與 5的氨水混合溶液清洗晶圓

表面再以去離子水沖洗其次以 4雙氧水與 46

的鹽酸水溶液清洗晶圓表面以中和酸鹼值將晶圓

表面的雜質完全去除掉之後將晶圓送入高溫爐

以攝氏 800~1000 度的高溫通入氧氣使晶圓表面產

生一片薄薄的二氧化矽層接著開始在二氧化矽

層上刻出所需要的窗口使雜質透過窗口擴散至矽

基板內其他的部份由於有二氧化矽層在有良好

的遮蔽效果至此成像的步驟已經算是告一個段

落

4-2沉積

即指用光電熱等等不同的方式使欲沉積

的氣態物質能夠在矽晶圓表面上產生化學反應而

呈現固態的沉積效果可將其視為一種鍍膜的技

術由於這種方式能夠鍍出穩定的固態膜所以是

積體電路中非常重要的一個環節步驟其全名為

Chemical Vapor Deposition常稱為化學氣相沉積

法而在現在的科技工業應用上最常用的沉積方

式又有四種

(1) APCVD（室壓化氣沉積法）

此種方法最大的優點為沉積速率極快大約

10~17nms但因速率甚快所以在沉積過程中各

分子容易彼此碰撞而成核最後會有微粒雜質的產

生故通常只用在做保護層因其對微粒雜質的接

受度相對較高也可省去較多時間去製作其他部

分

(2) LPCVD（低壓化氣沉積法）

以此方法進行沉積效果時反應環境內的氣壓

必須被調低到 100torr 以下也因此用此反應來沉

積時其反應的速度比 APCVD 要慢的多但也因

此其所沉積出的膜面較為均勻細緻也能有較全

面的覆蓋效果而不會產生過多的微細粒子

必須精確控制各種材料尺寸至次微米大小且該過

程要有極高的再現性而電漿蝕刻是現今能高效率

地完成這項任務的方法之一因而逐漸成為 IC 製

程中的主要技術最常見的乾蝕刻即是電漿蝕刻

圖 2 為乾蝕刻系統示意圖

圖 2 乾蝕刻系統

電漿是一種透過輝光放電游離氣體分子後所

產生的高溫離子電子及具有高度化學活性自由基

的離子氣團因內含反應性很高的粒子電漿與待

蝕刻材料的化學反應速率非常快具有很高的蝕刻

效率離子團與薄膜表面反應後形成揮發性產物

被真空幫浦抽走完成化學蝕刻電漿蝕刻與濕蝕

刻都具有等向性和覆蓋層下薄膜的底切問題由於

電漿離子和晶片表面的有效接觸面積比濕蝕刻溶

液分子還大蝕刻效率較濕蝕刻要高

另一種乾蝕刻技術是將惰性的氣體分子如 Ar

施以電壓利用衍生的二次電子將氣體分子解離或

激發成各種不同的粒子包括自由基電子及正離

子等正離子被電極板間的電場加速濺擊被蝕刻

物這種機制為物理性蝕刻具有非常好的方向性

(垂直方向)

乾蝕刻的最大優點是非等向性(anisotropic)圖

3 為濕蝕刻與乾蝕刻的比較然而物理蝕刻的選

擇性比濕蝕刻低因為乾蝕刻機制中的離子不但會

撞擊被蝕刻的薄膜同時也會撞擊光阻罩幕被擊

出的光阻材質為非揮發性較難移除又覆蓋在薄

膜表面上降低蝕刻效率

目前最為各 FAB 廣泛使用的技術是結合物

理性的粒子濺擊與電漿離子的化學複合蝕刻稱為

反應性離子蝕刻(reactive ion etching RIE)這種方

式兼具非等向性與高蝕刻選擇性的雙重優點蝕刻

的進行主要靠化學反應來達成以獲得高選擇性

加入離子轟擊的作用有二一是將被蝕刻材質表面

的原子鍵結破壞加速反應速率二是將再沈積於

被蝕刻表面的產物或聚合物打掉以使被蝕刻表面

能再與氣體接觸而非等向性蝕刻的達成是靠再

沈積的產物或聚合物沈積在蝕刻圖形上在表面

的沈積物可被離子打掉故蝕刻可以繼續進行而

在側壁上的沈積物因未受離子轟擊而保留下來

阻隔了蝕刻表面與反應氣體的接觸使得側壁不受

蝕刻而獲得非等向性蝕刻

圖 3 濕蝕刻與乾蝕刻的比較圖

(a)蝕刻前(b)濕蝕刻(c)乾蝕刻剖面圖

應用乾式蝕刻需要注意蝕刻速率均勻度選

擇性及蝕刻輪廓等蝕刻速率愈快則設備產能愈

快有助於降低成本及提升競爭力蝕刻速率通常

可藉由氣體種類流量電漿源及偏壓功率所控

制在其他因素尚可接受的條件下越快越好均

勻度是晶片上不同位置的蝕刻率差異的一個指

標較佳的均勻度意謂晶圓將有較佳的 yield尤其

當晶圓從 3 吋4 吋一直到 12 吋時面積越大

均勻度的控制就顯得更加重要蝕刻輪廓一般而言

愈接近九十度愈佳除了少數特例如接觸窗或介

層洞(contact window and via hole)為了使後續金屬

濺鍍能有較佳的階梯覆蓋能力(step coverage)而故

意使其蝕刻輪廓小於九十度通常控制蝕刻輪廓可

從氣體種類比例及偏壓功率來進行電漿離子

的濃度和能量是決定蝕刻速率的兩大要素為了增

加離子的濃度在乾式蝕刻系統設計了兩種輔助設

備電子迴轉加速器(electron cyclotron)以及磁圈

(magnet coil)前者是利用 254GHz 的微波來增加

電子與氣體分子的碰撞機率而後者則是在真空腔

旁加入一個與二次電子運動方向垂直的磁場使得

電子以螺旋狀的行徑來增加與氣體分子的碰撞機

率

3-4 先進蝕刻技術

RIE 技術隨著科技的發展已有多種改良模式及

加裝各種輔助裝置以製造出更高需求的元件材

料例如高電漿密度系統的使用改善了傳統

RIE 操作上壓力高無法達到垂直側壁蝕刻以及在

大尺寸晶圓上不易維持良好的均勻度的缺點

MERIE (magnetic enhanced RIE)是在傳統的 RIE

中加上永久磁鐵或線圈產生與晶片平行的磁

場而此磁場與電場垂直因為自生電壓(self bias)

垂直於晶片電子在此磁場下將以螺旋方式移

動如此一來將會減少電子撞擊腔壁並增加電子

與離子碰撞的機會產生較高密度的電漿然而因

為磁場的存在將使離子與電子偏折方向不同而分

離造成不均勻及天線效應的發生因此磁場常

設計為旋轉磁場MERIE 的操作壓力與 RIE 相

似約在 001~1Torr 之間當蝕刻尺寸小於 05μm

以下時須以較低的氣體壓力以提供離子較長的自

由路徑確保蝕刻的垂直度因氣體壓力較低電

漿密度也隨著降低因而蝕刻效率較差所以較不

適合用於小於 05μm 以下的蝕刻

電子迴旋共振式離子反應電漿蝕刻(Electron

Cyclotron Resonance Plasma Etching簡稱 ECR

Plasma Etching)ECR 是利用微波及外加磁場來產

生高密度電漿電子迴旋頻率可以下列方程式表

示r

ve

其中 是電子速度ev r 是電子迴旋半徑另外電子

迴旋是靠勞倫茲力所達成亦即

r

vmBevF ee

e

2

其中 是電子電荷 為電子質量e em B 是外加

磁場可得eB

vmr ee

將 r 代入迴旋頻率式中可得

em

eB

當此頻率 等於所加的微波頻率時外加電場與電

子能量發生共振耦合因而產生高的密度電漿

ECR 的設備共有二個腔一個是電漿產生腔

另一個是擴散腔微波藉由微波導管穿越石英或

氧化鋁做成的窗進入電漿產生腔中另外磁場隨著

與磁場線圈距離增大而縮小電子便隨著此不同的

磁場變化而向晶片移動正離子則是靠濃度不同而

向晶片擴散通常在晶片上也會施加一個 radio

frequency (RF)或直流偏壓用來加速離子提供離

子撞擊晶片的能量藉此達到非等向性蝕刻的效

果

3-5 結論

蝕刻是半導體製造過程中相當重要的一步將

晶圓上的某一部份物質去除保留有作用的線路

以便接下來的製程與測試濕蝕刻為傳統元件的製

作技術它利用化學溶液對晶圓片各部位不同材質

的反應性不同達到選擇性蝕刻的目的然而因為

等向性的問題濕蝕刻在現今技術的使用上已不普

遍當元件越做越小而晶圓尺寸愈來越大時蝕

刻的精準度和均勻度就變得非常重要乾蝕刻在完

成上述需求相對地就可靠許多(上表為濕蝕刻與乾

蝕刻各方面的比較)乾蝕刻的機制上主要可分為三

種化學蝕刻物理蝕刻及RIE目前以RIE最被各

大晶圓廠廣泛使用ECR Plasma Etching在接近晶

圓表面電磁場的分佈可由第二組線圈來調整達到

均勻的離子轟擊是製造出高需求元件材料的重要

技術

四IC 積體電路 劉紀顯

1930 年代歐洲科學發展逐漸以元素周期表

中的半導體各族為主軸利用 Ge 或 Si 等等的半導

體材料經過一連串的實驗與嘗試逐漸修正原有

的缺陷而產生單晶矽晶圓通常單晶矽晶圓被用來

當作基底通常在一開始的矽晶片的部分作完基

礎的清洗後就是鍍上金屬薄層接著塗上遮蓋

劑以光罩將晶片做出理想設計中的曝光之後再

將未曝光部分以酸洗掉接著研磨成平面重複類

似的步驟數次才能得到一片理想的晶圓在一連

串的製作過程之中又有以下三個步驟是最為重要

的決定性步驟影響整片晶圓的優劣性質

5-1 成像

以 5雙氧水與 5的氨水混合溶液清洗晶圓

表面再以去離子水沖洗其次以 4雙氧水與 46

的鹽酸水溶液清洗晶圓表面以中和酸鹼值將晶圓

表面的雜質完全去除掉之後將晶圓送入高溫爐

以攝氏 800~1000 度的高溫通入氧氣使晶圓表面產

生一片薄薄的二氧化矽層接著開始在二氧化矽

層上刻出所需要的窗口使雜質透過窗口擴散至矽

基板內其他的部份由於有二氧化矽層在有良好

的遮蔽效果至此成像的步驟已經算是告一個段

落

4-2沉積

即指用光電熱等等不同的方式使欲沉積

的氣態物質能夠在矽晶圓表面上產生化學反應而

呈現固態的沉積效果可將其視為一種鍍膜的技

術由於這種方式能夠鍍出穩定的固態膜所以是

積體電路中非常重要的一個環節步驟其全名為

Chemical Vapor Deposition常稱為化學氣相沉積

法而在現在的科技工業應用上最常用的沉積方

式又有四種

(1) APCVD（室壓化氣沉積法）

此種方法最大的優點為沉積速率極快大約

10~17nms但因速率甚快所以在沉積過程中各

分子容易彼此碰撞而成核最後會有微粒雜質的產

生故通常只用在做保護層因其對微粒雜質的接

受度相對較高也可省去較多時間去製作其他部

分

(2) LPCVD（低壓化氣沉積法）

以此方法進行沉積效果時反應環境內的氣壓

必須被調低到 100torr 以下也因此用此反應來沉

積時其反應的速度比 APCVD 要慢的多但也因

此其所沉積出的膜面較為均勻細緻也能有較全

面的覆蓋效果而不會產生過多的微細粒子

意使其蝕刻輪廓小於九十度通常控制蝕刻輪廓可

從氣體種類比例及偏壓功率來進行電漿離子

的濃度和能量是決定蝕刻速率的兩大要素為了增

加離子的濃度在乾式蝕刻系統設計了兩種輔助設

備電子迴轉加速器(electron cyclotron)以及磁圈

(magnet coil)前者是利用 254GHz 的微波來增加

電子與氣體分子的碰撞機率而後者則是在真空腔

旁加入一個與二次電子運動方向垂直的磁場使得

電子以螺旋狀的行徑來增加與氣體分子的碰撞機

率

3-4 先進蝕刻技術

RIE 技術隨著科技的發展已有多種改良模式及

加裝各種輔助裝置以製造出更高需求的元件材

料例如高電漿密度系統的使用改善了傳統

RIE 操作上壓力高無法達到垂直側壁蝕刻以及在

大尺寸晶圓上不易維持良好的均勻度的缺點

MERIE (magnetic enhanced RIE)是在傳統的 RIE

中加上永久磁鐵或線圈產生與晶片平行的磁

場而此磁場與電場垂直因為自生電壓(self bias)

垂直於晶片電子在此磁場下將以螺旋方式移

動如此一來將會減少電子撞擊腔壁並增加電子

與離子碰撞的機會產生較高密度的電漿然而因

為磁場的存在將使離子與電子偏折方向不同而分

離造成不均勻及天線效應的發生因此磁場常

設計為旋轉磁場MERIE 的操作壓力與 RIE 相

似約在 001~1Torr 之間當蝕刻尺寸小於 05μm

以下時須以較低的氣體壓力以提供離子較長的自

由路徑確保蝕刻的垂直度因氣體壓力較低電

漿密度也隨著降低因而蝕刻效率較差所以較不

適合用於小於 05μm 以下的蝕刻

電子迴旋共振式離子反應電漿蝕刻(Electron

Cyclotron Resonance Plasma Etching簡稱 ECR

Plasma Etching)ECR 是利用微波及外加磁場來產

生高密度電漿電子迴旋頻率可以下列方程式表

示r

ve

其中 是電子速度ev r 是電子迴旋半徑另外電子

迴旋是靠勞倫茲力所達成亦即

r

vmBevF ee

e

2

其中 是電子電荷 為電子質量e em B 是外加

磁場可得eB

vmr ee

將 r 代入迴旋頻率式中可得

em

eB

當此頻率 等於所加的微波頻率時外加電場與電

子能量發生共振耦合因而產生高的密度電漿

ECR 的設備共有二個腔一個是電漿產生腔

另一個是擴散腔微波藉由微波導管穿越石英或

氧化鋁做成的窗進入電漿產生腔中另外磁場隨著

與磁場線圈距離增大而縮小電子便隨著此不同的

磁場變化而向晶片移動正離子則是靠濃度不同而

向晶片擴散通常在晶片上也會施加一個 radio

frequency (RF)或直流偏壓用來加速離子提供離

子撞擊晶片的能量藉此達到非等向性蝕刻的效

果

3-5 結論

蝕刻是半導體製造過程中相當重要的一步將

晶圓上的某一部份物質去除保留有作用的線路

以便接下來的製程與測試濕蝕刻為傳統元件的製

作技術它利用化學溶液對晶圓片各部位不同材質

的反應性不同達到選擇性蝕刻的目的然而因為

等向性的問題濕蝕刻在現今技術的使用上已不普

遍當元件越做越小而晶圓尺寸愈來越大時蝕

刻的精準度和均勻度就變得非常重要乾蝕刻在完

成上述需求相對地就可靠許多(上表為濕蝕刻與乾

蝕刻各方面的比較)乾蝕刻的機制上主要可分為三

種化學蝕刻物理蝕刻及RIE目前以RIE最被各

大晶圓廠廣泛使用ECR Plasma Etching在接近晶

圓表面電磁場的分佈可由第二組線圈來調整達到

均勻的離子轟擊是製造出高需求元件材料的重要

技術

四IC 積體電路 劉紀顯

1930 年代歐洲科學發展逐漸以元素周期表

中的半導體各族為主軸利用 Ge 或 Si 等等的半導

體材料經過一連串的實驗與嘗試逐漸修正原有

的缺陷而產生單晶矽晶圓通常單晶矽晶圓被用來

當作基底通常在一開始的矽晶片的部分作完基

礎的清洗後就是鍍上金屬薄層接著塗上遮蓋

劑以光罩將晶片做出理想設計中的曝光之後再

將未曝光部分以酸洗掉接著研磨成平面重複類

似的步驟數次才能得到一片理想的晶圓在一連

串的製作過程之中又有以下三個步驟是最為重要

的決定性步驟影響整片晶圓的優劣性質

5-1 成像

以 5雙氧水與 5的氨水混合溶液清洗晶圓

表面再以去離子水沖洗其次以 4雙氧水與 46

的鹽酸水溶液清洗晶圓表面以中和酸鹼值將晶圓

表面的雜質完全去除掉之後將晶圓送入高溫爐

以攝氏 800~1000 度的高溫通入氧氣使晶圓表面產

生一片薄薄的二氧化矽層接著開始在二氧化矽

層上刻出所需要的窗口使雜質透過窗口擴散至矽

基板內其他的部份由於有二氧化矽層在有良好

的遮蔽效果至此成像的步驟已經算是告一個段

落

4-2沉積

即指用光電熱等等不同的方式使欲沉積

的氣態物質能夠在矽晶圓表面上產生化學反應而

呈現固態的沉積效果可將其視為一種鍍膜的技

術由於這種方式能夠鍍出穩定的固態膜所以是

積體電路中非常重要的一個環節步驟其全名為

Chemical Vapor Deposition常稱為化學氣相沉積

法而在現在的科技工業應用上最常用的沉積方

式又有四種

(1) APCVD（室壓化氣沉積法）

此種方法最大的優點為沉積速率極快大約

10~17nms但因速率甚快所以在沉積過程中各

分子容易彼此碰撞而成核最後會有微粒雜質的產

生故通常只用在做保護層因其對微粒雜質的接

受度相對較高也可省去較多時間去製作其他部

分

(2) LPCVD（低壓化氣沉積法）

以此方法進行沉積效果時反應環境內的氣壓

必須被調低到 100torr 以下也因此用此反應來沉

積時其反應的速度比 APCVD 要慢的多但也因

此其所沉積出的膜面較為均勻細緻也能有較全

面的覆蓋效果而不會產生過多的微細粒子

成上述需求相對地就可靠許多(上表為濕蝕刻與乾

蝕刻各方面的比較)乾蝕刻的機制上主要可分為三

種化學蝕刻物理蝕刻及RIE目前以RIE最被各

大晶圓廠廣泛使用ECR Plasma Etching在接近晶

圓表面電磁場的分佈可由第二組線圈來調整達到

均勻的離子轟擊是製造出高需求元件材料的重要

技術

四IC 積體電路 劉紀顯

1930 年代歐洲科學發展逐漸以元素周期表

中的半導體各族為主軸利用 Ge 或 Si 等等的半導

體材料經過一連串的實驗與嘗試逐漸修正原有

的缺陷而產生單晶矽晶圓通常單晶矽晶圓被用來

當作基底通常在一開始的矽晶片的部分作完基

礎的清洗後就是鍍上金屬薄層接著塗上遮蓋

劑以光罩將晶片做出理想設計中的曝光之後再

將未曝光部分以酸洗掉接著研磨成平面重複類

似的步驟數次才能得到一片理想的晶圓在一連

串的製作過程之中又有以下三個步驟是最為重要

的決定性步驟影響整片晶圓的優劣性質

5-1 成像

以 5雙氧水與 5的氨水混合溶液清洗晶圓

表面再以去離子水沖洗其次以 4雙氧水與 46

的鹽酸水溶液清洗晶圓表面以中和酸鹼值將晶圓

表面的雜質完全去除掉之後將晶圓送入高溫爐

以攝氏 800~1000 度的高溫通入氧氣使晶圓表面產

生一片薄薄的二氧化矽層接著開始在二氧化矽

層上刻出所需要的窗口使雜質透過窗口擴散至矽

基板內其他的部份由於有二氧化矽層在有良好

的遮蔽效果至此成像的步驟已經算是告一個段

落

4-2沉積

即指用光電熱等等不同的方式使欲沉積

的氣態物質能夠在矽晶圓表面上產生化學反應而

呈現固態的沉積效果可將其視為一種鍍膜的技

術由於這種方式能夠鍍出穩定的固態膜所以是

積體電路中非常重要的一個環節步驟其全名為

Chemical Vapor Deposition常稱為化學氣相沉積

法而在現在的科技工業應用上最常用的沉積方

式又有四種

(1) APCVD（室壓化氣沉積法）

此種方法最大的優點為沉積速率極快大約

10~17nms但因速率甚快所以在沉積過程中各

分子容易彼此碰撞而成核最後會有微粒雜質的產

生故通常只用在做保護層因其對微粒雜質的接

受度相對較高也可省去較多時間去製作其他部

分

(2) LPCVD（低壓化氣沉積法）

以此方法進行沉積效果時反應環境內的氣壓

必須被調低到 100torr 以下也因此用此反應來沉

積時其反應的速度比 APCVD 要慢的多但也因

此其所沉積出的膜面較為均勻細緻也能有較全

面的覆蓋效果而不會產生過多的微細粒子

其反應的方式也是用爐管加熱沈積的方式其

步驟必須將系晶圓放置在中心的晶舟上而由於內

部有真空系統的配合反應後的廢氣可以直接排

除每次開爐均可沈積 120 片以上的矽晶圓而反

應爐有兩種分為直立式與水平式而現在的工業

使用上以直立式為主

(3) PECVD（電漿增強式化氣沈積法）

其反應環境中將欲沈積氣體放在電場中而

化學反應經由電漿體形成鍍膜沈積的反應由於此

反應中反應電漿並非平衡狀態因此利用高能量電

子撞擊氣體分子使之激發形成電漿而再以電漿撞

擊矽晶圓表面而形成完整的沈積反應此種反應

模式已經成為了矽晶圓積體電路中最主要的沈積

方式特別用於金屬與介電質膜的沈積多屬此種方

法製造之

(4) Photo CVD（光照射化氣沈積法）

直接利用 UV 光或其他高能光束照射沈積氣

體使之直接與矽晶圓基版產生化學反應而達到沈

積的效果但由於紫外光等等高能光束危險幸甚

高因此這種沈積法還屬於實驗階段尚未達成廣

泛的應用

4-3 定影

由於前面步驟有做到二氧化矽的成像部份但

卻又沈積上了一層沈積鍍膜因此這一步就是真正

把整體的像用反射投影的方式固定在晶圓上的步

驟首先會先用 UV 燈將之前成像的圖案部份曝光

過一次接著再以特殊的顯影液將整片晶圓浸泡約

七十秒底部沒有成像的部份則能夠被顯現出來

一直到最後的一個步驟就是洗淨整片晶圓以去

離子純水清洗晶圓並且用氮氣將水吹乾之後整

片晶圓的製作就此告一個段落

4-4 積體電路的歷史

(1) 真空管

西元 1897 年第一個真空管就此問世由

於真空管本身所產生的訊息傳遞方式與陰極射線

管十分接近因此本身並沒有很多強大的功能但

由於透過電子傳遞而達到能量轉移輸送間接產生

訊號的方式就此產生自此的科技發展便以量子科

學為主當時的真空管以安裝在音響上為主但真

空管本身放熱過大所以容易損壞在實際的使用

上其實仍然算是十分的不便但以人類科技史的

紀錄而言這已經是一個開端

(2) 電晶體

由於真空管容易因為放熱過度而造成損壞所

以新一代的電晶體也隨之誕生電晶體的體積比原

本的真空管小上許多大約只有 120 的大小但也

因此放熱量與耗電量比原本的真空管更少能夠保

持較長的穩定使用時間大約 1950 年以後左右

真空管就此被電晶體給完全淘汰

但電晶體畢竟只是單一系統上所儲存的元

件在跟積體電路的龐大資訊處理量相比上終究比

之不足隨著科技逐漸的進步電晶體也逐漸變成

只是類比積體電路中的一小部份而這是科技起飛

的一個大躍進

(3) 積體電路

此即為整篇報告之主旨自從 1958 年之後

德州儀器公司開發出單元素的完整電路此種電路

利用 Si 或 Ge 來作成一個單一的完整電路內容夾

雜電感電阻二極體等等但由於完整並且體積

非常小因此整體而言科技發展就更為輕便直至

今日有所謂超大型或特大型積體電路的存在每

一片晶片上可攜帶 104 甚至到 105 個單位元件雖

然已經可以夾帶龐大的資訊但積體電路的發展還

在持續進步當中

4-5 積體電路的分類

(1) 類比積體電路

類比積體電路本身算是最基礎的積體電路由

各種不同的電路儀器組合而成比如說電阻電

感電容電晶體等等經過排列組合而形成的積體

電路可依照不同的類比訊號組合而處理不同的訊

息而通常這樣的積體電路能夠被作成訊號的放大

器類比乘法器電源管理晶片等等而其本身由

於所要接收的訊號目標特定所以內部組成如果要

以功能來分的話可以拆分為放大器濾波器反饋

電路開關電容電器等等但由於類比積體電路所

接收的訊號本身是屬於連續性的而且其本身所發

出的訊號也是連續性的因此在誤差計算上誤差會

比較大也不如數位積體電路那般準確清晰此為

其最主要的缺點

(2) 數位積體電路

相對於類比積體電路數位積體電路則是由許

多邏輯閘所組合成的電路由於數位訊號相當單純

只有１與０兩種訊號因此處理起來並不繁雜不

容易受到干擾這是相對優於類比積體電路的地

方而數位積體電路需要各種觸發器以及門電路

藉此整體組裝成組合邏輯電路以及時序邏輯電

路由於數位積體電路本身訊號只有１與０所以

要研究以及規畫設計時必須有相當好的邏輯代數

能力現在的積體電路大多以數位積體電路為主

主因也有以下幾點

1 比較穩定不易有雜訊

2 能以光碟或者磁碟片的方式長期儲存

3 可靠性高因其只需感應訊號而不需作詳細

的處理

(3) 混合訊號積體電路

此種積體電路應該是現在社會上發展潛能

最大的積體電路畢竟顧名思義此種積體電路由

兩種積體電路的特性混合並且統整所以兩種積體

電路的優點都能存在並且發揮能夠接收到普通的

類比訊號並且透過電路的方式釋放出來也能夠接

收數位的１與０訊號相對來說也能將兩種訊號

做出轉換並且再做出放大使訊號更明顯其具

體的形象便是將類比積體電路的部分與數位積體

電路的部分放在同一片基層（芯片）上體積與能

夠處理的訊息複雜度相比就小了很多現存的 IC

已經能夠作到將兩種訊息彼此交換的能力稱為數

位類比轉換(DA converter)與類比數位轉換(AD

converter)只是要小心訊號衝突的現象在轉換訊

號方面模式不同也容易造成在收取以及轉換訊號

時的誤判甚至是放大出錯誤的訊號至今以來如

何在訊號轉換上達到最好的效果依然是努力的方

向

積體電路的產業應用與化學工業連結

現存的積體電路產業主要以資訊產業為主比

如說電腦的網路通訊以及電腦本身的資訊儲存記

憶體等等為主但也由於生活中無處都有「測量」

的可能性所以生活中各種測量性的儀器都能夠看

見「微電腦」的存在所謂的微電腦就是積體電

路在生活中最常見的應用舉例如微電腦的體溫

計電子錶電子鐘此為測量上最主要的應用

或者是在訊號的釋放上被放大形成指令的部分也

是一種積體電路的應用比如微電腦電鍋電視

電腦螢幕等等而這種生活中常見的積體電路所要

求的便是快速與簡易操作但如果應用在工業上

就會更要求它的穩定性以及標準化才能有更廣泛

的規定與應用在講求輕便的現代社會應用要求

下如何能使材料越作越小並且考慮到本身材質

的耐用性這就是需要化學人才不斷創造開發的部

分

舉例在鍍膜方面由於鍍上金屬膜時金屬是

呈現電漿狀態因此非常的容易被氧化如何能避

免被氧化是一件很重要的研發課題其次在鍍膜

時金屬膜的厚薄度如何安全性如何以及各種

金屬膜本身是否容易因為速率過快而產生粉塵或

是沉積速率過慢導致成本過高等等都是化學領域

或化工領域能夠研發的發展方向並且在蝕刻晶片

時由於使用的是氫氟酸的水溶液本身液體流動時

所能夠控制的蝕刻面積就不是非常容易即使可

以在蝕刻時所蝕刻出的凹槽本身的反光性質如

何以及回歸到沈積的層次來提沈積之後表面

的膜是否能夠平滑如鏡才能作到下一步的鍍

膜這些層次是屬於化學領域能夠不斷研發的層

次部份也因此在未來的專業領域中以半導體工

業的化工領域都有永無止境的追求目標也是台

灣目前高科技產業的重心

五半導體產業 陳順義 鄭行凱

5-1 台灣半導體產業的發展背景

很多人都同意1947 年在貝爾實驗室所發明的

電晶體是二十一世紀科學技術發展史上最重要的

發明之一從此改變了人類的生活透過快捷半導

體（Fairchild）之 Bob Noyce 的矽晶片金屬連結技

術使得多個電晶體整合在一個晶片的夢想成為可

能1959 年之後積體電路的技術更是一日千里

晶片上的晶體數目每年加倍成本節節降低而導

致半導體產業的快速發展

早期世界半導體市場幾乎完全有美國廠商獨

佔直至七零年代日本廠商加入之後局面才為之

丕變到了七零年代末期美國廠商的市場佔有率

已從原來的 100降到 65左右而日本則上升

至 25八零年代中期日本不但上升至 46而

且全面攻佔新一代 256K 的 DRAM 市場美國的佔

有率則下降至 43為了因應日本強力的挑戰與競

爭力美國廠商逐採用全國跨國分工的策略將技

術層次較低勞動成本較高的封裝與測試製程轉移

到亞洲國家在台灣投資的美國廠商包括通用器材

(General Instruments)RCA 及德州儀器（Texas

Instruments TI）在台灣設廠的還有一家飛利浦

（Philips）這些跨國企業為台灣引進了積體電路的

封裝測試及品管技術因此台灣半導體產業的

發展在起步時與其他亞洲國家相似都是扮演著

美國（或歐洲）廠商的海外封裝測試基地然而

隨後的發展就極為不同了

5-2 台灣半導體產業的發展歷史

第一期外資投入（1966～1974）

外資為台灣帶來封裝技術也間接促進 IC 封

裝技術在台灣擴散然而並未能形成垂直整合的

半導體產業系統有鑑於此台灣政府官員與海外

華人顧問（主要為電子技術顧問委員會 TAC 的成

員）在經過充分討論之後在工業技術研究院下設

置『電子工業發展研究中心』負責 IC 工業的推動

第二期政府研發（1975～1984）

工研院電子研究所三項重要計畫的執行為

台灣半導體產業的發展紮下了厚實的根基第一項

計畫為 1975 年的設置 IC 示範工廠計畫』字 RCA

引進七微米（μm）

金氧半導體晶體（metal oxide semiconductor

transistor MOS）的製造程序在 1977 年獲得成功

不但建立了示範工廠而且良率（yield rate）與表

現甚至超越了美國 RCA 的工廠最後則催生了

台灣第一家公司-聯華電子第二項計畫主要引進光

罩複製技術將製作時間縮短 1～2 週以生 IC 產

品開發的時效第三項計畫是『超大型積體電路技

術發展計畫』當超大型積體電路技術發展計畫成

功之後其研究成果再度衍生了第三家製造公司-

台灣積體電路公司（TSMC）

第三期民間興起（1985～1994）

隨著研發技術的成熟和移轉以及聯華電子驚

人的獲利能力-1983 年名列台灣五百大企業的第一

名隨後都名列前茅於是民間部門對半導體製造

的信心大增投入的公司絡繹於途興起的民間企

業除了由工業技術研究院的電子所衍生之外有

些則來自美籍華人與台灣資本的結合此時期工業

技術研究院在技術開發上推動『微電子技術發展

計畫』與『次微米計畫』衍生出第四家主要公司-

世 界 先 進 公 司 （ Vanguard International

Semiconductor）而且帶動 8 吋晶圓廠的投資風潮

促台灣的半導體產業邁入全新的境界不但由快速

追隨者的角色轉變為同步競爭者而且逐漸成為

世界級的產業在全球 IC 供應鏈中佔有重要而不

可取代的位置

第四期投資熱潮（1995～2004）

1995 宣布要蓋 24 座八吋晶圓廠這些工廠陸

續於 2000 年以前完工這些投資使得台灣半導體

產業迅速發展在世界各國中名列前茅全球半導

體產業垂直分工的特色越來越鮮明精確地說由

於 IC 產業的各個領域與製程都變的十分專業化

每個廠商所專精的核心能力也大不相同而必須選

擇最具競爭優勢的廠商做為合作對象方能降低成

本發揮產業鏈的最大價值許多台灣廠商由於採

用晶圓代工的策略成為美國無晶原廠設計公司

（fabless desgh company）的最佳策略伙伴換言

之自 1995 年之後晶圓代工成為台灣半導體產

業的主流歐美與日本相繼減少對晶圓廠的投資

加上使用代工廠的無晶圓業者樂來越多使得台灣

在全球 IC 生產上的地位越來越鞏固而成為全球

供應鏈上不可或缺的一環

台灣半導體產業發展現況

5-3 產業供需情形

2002 年政府宣佈推出兩兆雙星計畫即選擇半

導體影像顯示器 這兩個預期產值破新台幣兆元

的關鍵零組件產業以及數位內容和生技兩項新興

產業

「兩兆」計畫在半導體產業方面的目標和內容

主要可分為三目標

1 2008 年產值達 12 兆元新台幣

2 全球半導體設計製造中心

3 三家公司進入全球十大企業

而在 2008 年時半導體產業的產值有達到了

135 兆此計畫可說是成功的

其中在半導體產業方面政府成立半導體產

業推動辦公室以提升台灣半導體業之產值並積極

建構台灣成為全球半導 體重要的 IC 設計開發及

製造中樞提升台灣半導體相關產業的附加價值

台灣擁有世界級半導體廠商如全球第一及第二大

IC 製造公司為 台積電聯電全球第七大 IC 設計

公司為聯發科技全球第一及第三大封測廠為日月

光及矽品廠商成績亮眼台灣半導體產業供應鏈

之投資利基在於台灣擁有全球最完整的半導體產

業聚落從 IC 設計製造到封測端皆有國際級廠

商以全球第一大的晶圓代工及封測實力提供廠

商一條龍的服務模式其中 IC 設計 262 家廠商IC

製造 13 家廠商IC 封裝 34 家廠商IC 測試 36

家顯見台灣在半導體產業充分展現垂直分工優

勢以半導體產業群聚形成的矽島台灣中

IC 設計業多分佈於新竹大台北地區新竹

地區約佔 23代表性廠商如聯發科聯詠凌陽

瑞昱矽統立錡茂達等大台北地區約佔 13

廠商包括威盛揚智宇力旺玖等台灣為全球

第二大 IC 設計國僅次於美國台灣擁有聯發科

聯詠原相義隆電群聯等重量性 IC 設計業者

其中聯發科更是位居全球第七大 IC 設計廠商產

品線多元包括消費電子及通訊產品且除 DVD IC

穩居全球第一大之外手機 IC 更在中國市場上獲

得成功市場佔有率超過 40且聯發科除了在中

國市場繳出一張亮眼的成績單外近年來在電視晶

片方面也陸續打入全球品牌大廠且期望擠下泰鼎

（Trident）成為北美最大電視 IC 供應商其晶片

供貨對象遍及外商三星電子LG 電子飛利浦

等國際級大廠群聯則是排名全球前三大 Flash

Controller IC 廠商原相公司則是任天堂 Wii 風靡

全球的關鍵功臣其 Image Sensor 及搖桿 IC使得

家用遊戲機Ｗii 能夠完整發揮互動功能並使Ｗii

成為近兩年來全球最熱門的商品之一

IC 製造業方面多分佈於桃園新竹台中及台

南而一線封測廠則聚集於中部及南部位居半導

體產業中游的 IC 製造台灣表現優異晶圓代工

（Foundry）位居全球龍頭其中台積電一家就佔

了全球超過 5 成的晶圓代工市場其技術實力已達

65 奈米目前往更高階的 45 奈米及 32 奈米前進

除了台積電外台灣更還有全球第二大晶圓代工廠

聯電以及力晶茂德南亞科等 DRAM 廠商

IC 封測方面台灣亦為全球第一大國日月光

及矽品分別排名全球第一大及第三大封裝實力涵

蓋 BGAFlip Chip 等並持續朝晶圓級封裝邁進

其主要客戶群包括 ATI高通飛思卡爾等國際級

大廠

下圖為台灣半導體產業地理分佈

從此圖可以明顯看出台灣的半導體產業大部

分都分布在新竹台北地區尤其是新竹約佔了三分

之二

台灣半導體產業發展現況

5-4 半導體供應鏈

分析半導體產業潛在外商由於台灣半導體產

業鏈完整技術實力雄厚故擁有許多重量級的國

際客戶且與國際大廠合作密切上游 IC 製造方

面全球五大 DRAM 廠商中韓國三星電子已

在台設立 採購及銷售據點韓國 Hynix 與台灣茂

德日本 Elpidia 與台灣力晶 Qimonda 與台灣

南亞科華亞科及華邦等分別均已進行技術授權

研發及產能分配等合作2008 年 4 月南亞科與

美國 Micron(MU-US 美光) 跨國合作共同簽

署成立合資公司有鑑於此建議台灣半導體 產

業供應鏈缺口要像面板一樣走向跨國合作才能改

善目前 DRAM 價 格持續下滑的狀況中游晶圓

代工方面以全球第一大的晶圓代工廠商台積電為

例全球前 20 大半導體公司近一半是台積電的客

戶其中包括全球最大的半導體外商 Intel而全球

前 10 大 IC 設計公司就有 8 家下單在台積電生

產顯見台積電在全球半導體產業供應鏈具有崇高

地位即便是例外的兩家 IC 設計潛在外商 Xilinx

及 Sandisk也都是台灣 IC 製造業者 的客戶再

次證明台灣半導體業者客戶層面涵蓋廣泛

5-5 晶圓材料技術

晶 圓 (Wafer) 是 製 造 積 體 電 路 (Integrated

Circuit IC)的基本材料通常是由矽(Silicon Si)或

砷 化 鎵 (Gallium Arsenide GaAs) 等 半 導 體

(Semiconductor)所組成目前積體電路產業以矽晶

圓為主矽晶圓是目前製作積體電路的基底材料

(Substrate)矽晶圓本身雖然導電性不好但是只要

適當地加入一些離子就可以控制它的導電性在

晶圓表面製造出不同種類的電子元件如電晶體和

二極體IC 設計工程師必須依據不同功能利用這些

電子元件設計電路電路設計完成後所設計的電

路元件圖樣透過積體電路製造技術經過一系列

繁複的化學物理和光學程序製作到矽晶圓上完

成的矽晶圓上產生出數以千百計的晶粒(die)這

些晶粒必須逐一的進行測試切割封裝等過程

才能成為一顆顆具有各種功能的積體電路產品積

體電路的製程是十分精密複雜的其關鍵技術之

一即是在晶圓上製作細小寬度的線條圖樣愈細

的線條表示可以製作愈小尺寸的元件也就是相同

面積下可以有愈多的元件愈多的元件則可以得到

愈多功能的電路晶圓的尺寸可以決定裁切出來

的晶片有多少數量晶圓直徑愈大每片晶圓所能生

產的 IC 顆粒數愈多所需要的製造技術越好目

前最新的中央處理器所使用的是點一的技術所

謂點一的技術就是能控制積體電路線路的大小

（線寬與線距）在 01 微米的能力微米是一種長

度的單位1 微米是一百萬分之一公尺﹝10minus6

m﹞能將線路製作得越細小電子產品的體積也

就可以越小產品的品質與其市場上的單價也就越

高同時在單位矽晶圓的面積上所能生產的積

體電路晶片也就越多晶片的平均成本也就越低

雖然能處理晶圓大小的技術指標與能將線路控制

到多小的技術指標並不相同但是因為積體電路技

術往前推演的時程上的巧合這二種技術指標就常

被一般人互相混用如人們談到八吋晶圓廠時指

的就是點一三（013 微米）點一五（015 微米）

與點一八（018 微米）的製程技術目前談到十二

吋晶圓廠時所指的則是點一（01 微米）的製程

技術因此所謂的八吋十二吋廠間的差異最

重要的不只是能處理的晶圓大小不同而已其所能

製作積體電路的線寬與線距大小才是技術等級重

要的差距所在因為這一部分才真正與產品的層級

相關越小越精密的製程能力代表著能生產的積

體電路產品等級越高因此雖然同樣是八吋晶圓

廠仍會有點一三與點一八製程上的差異也才會

有如新聞中所提所謂高階與低階技術的不同

5-6 記憶體產品

5-6-1 DRAM

我國記憶體產業是以 DRAM 產品為主國內

DRAM 廠商在 12 吋廠產能快速增加以及製程持

續進行微縮使得 DRAM 產出呈現增長的態勢

不僅使我國成為全球 DRAM 單位成本最低的國

家我國 DRAM 產值之全球產品市占率也已超過

20居全球第 2 位（僅次於南韓）進而促使我

國在全球記憶體產業占有關鍵地位未來我國記憶

體廠商除了持續推升我國在全球 DRAM 產業之地

位外為了掌握 NAND Flash 在終端產品市場的龐

大潛在商機廠商已積極投入 NAND Flash 之佈局

5-6-2 類比 IC 產品

類比 IC 是作為橋接物理訊號如光聲音

溫度等自然現象的連續性訊號與電子裝置的重要

媒介其訊號是以連續的形式來傳遞在大自然裏

所表現的各種物理特性絕大多數都是類比屬性

若沒有類比 IC 來橋接物理訊息與電子產品許多

的數位電子產品將會無法完全工作

5-6-3 邏輯 IC

邏輯 IC 在 IC 家族中算是較早出現的產品

尤其標準邏輯 IC(Standard Logic)應是 IC 家族中年

紀最大的其大半只提供基本邏輯運算例如

ANDORNAND 等再由使用者自行組合成本

身電子產品所需之電路特性此一領域最早由

Bipolar 製程出發接著 MOS 產品跟著出現其後

結合兩者優點的 BiCMOS 製程亦廣受歡迎一陣子

5-6-4 微元件 IC

微元件 IC 包括微處理器(Microprocessor

MPU)微控制器(MicrocontrollerMCU)微週邊

(MicroperipheralMPR)和可程式的數位訊號處理器

(Digital Signal ProcessorDSP)四大族群其中 MPU

又可分為複雜指令集 (Complex Instruction Set

Computing CISC) 精 簡 指 令 集 (Reduced

Instruction Set ComputingRISC) 二大類而 MPR

則由較多產品組合而成的集團包括配合各式 MPU

的 系 統 核 心 邏 輯 晶 片 組 (System core Logic

Chipsets)各式視訊控制晶片組 (Graphics and

Imaging Controllers) 通 訊 控 制 晶 片 組

(Communications Controllers)儲存控制晶片組

(Mass Storage Controllers)和其他輸出入控制晶片

組如鍵盤控制器語音輸出入控制器筆式輸

入控制器等微元件 IC 大多使用於資訊通訊等

數位式訊號處理的部份幾乎全是 MOS 製程的產

品

5-7 全球半導體產業前景與碰到的問題

5-7-1 全球半導體產業的分工合作

因為科技的發達IC 產品功能越來越複雜相

對的製程也越來越精密因此各種設備的資金投入

變的更大許多國際整合元件(IDM)製造大廠都委

外晶圓製造據趨勢分析2009 年將有一半委外製

造這個巨變使半導體產業從過去的整合元件模式

變為朝 IC 設計(Fabless)晶圓廠輕簡化(Fab-lite)的

專業分工前進而這種專業分工模式對於半導體產

業分工細緻的台灣而言是相當吃香的因此預期

台灣將在全球的半導體供應鍊扮演著關鍵的角色

5-7-2 全球半導體產業的衰退

2007 年半導體產業在 Vista 需求不如預期且

受庫存嚴重等因素的影響下年成長率只剩下

287原本全球對於 2008 年的半導體市場是保持

樂觀的態度的但受到發端於華爾街股市的金融海

嘯全球實體經濟受到的侵蝕是迅速而深刻的因

此2008 年第三季度末第四季度初全球半導體

產業便已顯露出增長乏力甚至衰退的跡象

而其中最先受到影響的是數字信號處理（DSP）

芯片據市場調查機構 ForwardConcepts 數據指出

2008 年第四季度 DSP 芯片出貨量要較 2007 年同期

減少 5而在第三季度時DSP 芯片出貨量還較

上一季度增長了 8特別是僅僅 9 月份一個月就

較 8 月份增長了 40

ForwardConcepts 總裁 WillStrauss 表示DSP

芯片出貨量減少的原因是因為無線應用領域的使

用量與 2007 年同期持平但多用途和汽車電子領

域的使用量則較 2007 年同期大幅減少了 10

而此時半導體芯片業者的庫存也在急速升

高市場調查機構 iSuppli 數據指出2008 年第四

季度消費性電子用芯片的庫存量可能較上一季度

高出 3 倍左右iSuppli 表示芯片庫存過高將會

影響半導體產品的價格營收和獲利率並將妨礙

半導體產業從衰退走向復甦即使日後需求反彈

所達到的效果也將非常有限而在 2008 年第四季

度末iSuppli 指出全球囤積的芯片價值可能已超過

104 億美元

各家調研機構對於 2009 年全球半導體產業的

銷售收入也不看好SIA 預計2009 年全球半導體

芯片銷售收入將較 2008 年下降 56達到 2467

億美元WSTS 預計2009 年全球半導體銷售收入

將萎縮 22至 2560 億美元Gartner 預計2009

年全球半導體芯片銷售收入增長將僅有 1達到

2822 億美元Gartner 還特別指出若情況進一步

惡化明年半導體芯片銷售收入將有可能下滑

103iSuppli 的數字還是最為悲觀的它預計 2009

年全球半導體芯片銷售收入僅為 2192 億美元較

2008 年大幅下降 163

除了銷售收入的減少方面另一嚴重的問題是

投資人投資慾望的減退這從全球半導體聯盟(GSA)

發表的 2008 年第三季度資金募款報告便可窺見端

倪根據報告內容全球半導體業者在去年第三季

度共募得了 2316 億美元的風險資金較第二季度

大幅縮減 44也較去年同期減少 36顯見半導

體景氣已步入緊縮GSA 指出全球 21 家 Fabless

公司與 IDM 業者第三季度的資金募集情況證實了

風險投資者已對芯片業者的投資興趣逐漸降低

同樣全球半導體設備的支出也在減少連帶

導致半導體產能增加下滑據 Gartner 的最新報告

指出全球半導體設備支出的預期將再度下調不

僅 2008 年半導體設備支出會減少 306達到 311

億美元而且在 2009 年還會進一步減少 317下

滑至 212 億美元Gartner 半導體製造部副總裁

KlausRinnen 表示全球經濟衰退對不景氣的半導

體和設備產業產生了巨大的影響Rinnen 指出目

前所有領域的零組件製造商包括 NANDFlash 和

DRAM 產業都開始採取減產措施並且關閉成本效

率較低的工廠而在晶圓廠部分也開始減緩產

能降低資本支出並且積極研發新技術

設備支出統計預估圖

Gartner 預計2008 年晶圓廠設備支出會減少

3092009 年則將減少 331而在光蝕刻設備

上2008 年支出會減少 22至 2009 年時還將

進一步減少 38主要原因是內存製造商減緩採用

沉浸式技術的時程並延長舊設備的使用期限此

外報告還指出 2009 年全球封裝設備支出也將下

滑 30左右自動測試設備市場也同樣會衰退近

20銷售額甚至會下跌至 20 億美元以下

在晶圓產能方面其增長率也創下自 2002 年

以來的新低據國際半導體設備材料產業協會

(SEMI)公佈的最新《全球晶圓廠預測》報告指出

全球晶圓廠產能在 2008 年僅增長了 5(每月約共

540 萬片)預計 2009 年也僅有 4~5(每月約 610

萬片)的增長在 2003~2007 年增長程度都是兩位

數面對全球性的經濟衰退過度供給以及內存

平均售價跌落許多內存公司選擇關閉 8 英吋工廠

因應

另外一個問題是消費者買氣低迷SIA 總裁

GeorgeScalise 表示由於半導體產業的銷售收入增

長與消費者購買電子產品有密不可分的關係因

此幾乎全球半導體銷售收入有一半是來自於消費

者的購買因此當景氣衰退時對半導體業者將

產生直接衝擊

SIA 引述德意志銀行的一篇報告表示2009 年

全球 PC 銷售將會下降 5手機則預計會下降

64而這兩個市場便佔據全球半導體消費的 60

左右因此2009 年半導體業的衰退將在所難免

5-7-3 全球半導體產業的前景

台積電董事長張忠謀昨在二月二十三日指

出全球半導體業已經觸底但是未來將呈現緩慢

復甦的「L 型反轉」顯示產業景氣仍不是太樂觀

而麥格理全球半導體團隊也同時下修了今年

度半導體營收預測從原本的1951億美元降至1875

億美元年減達到 246

麥格理指出儘管庫存可望於第 2 季就調整至

健康水位並帶動庫存回補急單及營收成長動能

但整體而言美國的終端需求仍然非常疲弱因此

到今年下半年營收都還會有再下修的風險

而全球晶片產能過剩的問題仍將持續至 2009

年全年

麥格理指出目前許多大廠都採取刪減資本支

出的策略以維持足夠的現金流量和美化資產負債

表但卻限制了整體產業的發展

半導體相關族群的股價自去年 12 月以來已經

出現了幾波反彈麥格理指出回顧 2001 年科技

泡沫化時半導體股價也曾出現毫無基本面支持的

「無基之彈」提前反映了市場對於產業景氣回春

的過度樂觀但實際上疲弱的終求終將嚴重限制

產業的成長動能預估 2010 年以前股價還是很

難維持穩定向上趨勢

5-7-4 全球不景氣與半導體

根據各經濟研究機構下修未來景氣來看2007

年全球半導體成長率為 32達 2556 億美元而

這與全球國內生長毛額(GDP)成長率有密切的連動

關係IMF 下修 2009 年全球 GDP 成長率為 22

全球半導體產值呈現-61成長率經濟風暴的擴

散以及電子產品需求下滑造成市場需求疲軟也

間接影響了半導體產業足見半導體寒冬的降臨

而唯一在半導體產業較有成長的國家則為新興國

家主因在於低價消費性電子產品的需求較高

全球半導體產業成長率與 GDP 成長率關係圖

5-8 台灣半導體產業前景與碰到的問題

5-8-1 台灣半導體產業的前景

近年來台灣半導體設備廠商希望擺脫代理

代工傳統但僅以發展中低階產品為主未能建立

國際品牌地位較為成功廠商屬漢民微測及漢辰科

技等切入缺陷量測離子佈值等產品並推出自

有品牌已順利銷售到台積電聯電茂德等業者

也外銷到北美新加坡等地但金額及數量仍未具

備國際實力

半導體主要關鍵設備如光阻塗佈設備微影設

備等都仰賴進口目前上游設備外商在台雖設有公

司但大都屬於技術服務用途初步方式應與上游

設備廠商合作在台共同投資以研發關鍵零組件並

積極引進關鍵技術如氣體控制系統晶圓傳輸機

構製程反應真空系統技術等

在半導體產業競爭激烈及投資設備昂貴等因

素下台灣半導體業者均面臨成本競爭的壓力國

外設備業者若能來台投資就近支援提供此產業缺

口之服務將可共創互利共榮的產業合作關係

展望 2009 年在全球經濟景氣短期仍難見好

轉的情況下全球 IC 產業都將呈現較 2008 年更加

衰退之情況然而全球 IC 產業景氣預估將在 2009

年下半年落底並且在 2010 年呈現逐漸復甦之情

況面對此景氣的寒冬預估 2009 年台灣 IC 產業

產值僅達 9845 億元較 2008 年衰退 269其中

設計業產值為 3030 億新台幣較 2008 年衰退

192製造業為 4350 億新台幣較 2008 年衰退

335封裝業為 1680 億新台幣較 2008 年衰退

242測試業為 785 億新台幣較 2008 年衰退

187

5-8-2 台灣半導體產業受到經濟風暴的影響

2008 年下半年金融巨擘陸續倒閉危及全球經

濟而半導體產業也受到極大衝擊2008 年下半年

開始由於經濟局勢反映了需求面的降溫業者紛

紛下修 2008 年獲利以及營收展望而台灣半導體

產業在此波景氣衰退下的景況與因應之道更加引

發關注

台灣半導體產業供應鏈之缺口在台灣半導體

相關設備零組件等的自製率甚低且缺乏取得設

備規格需求的管道設備開發和製程技術掌握度

低經營規模較海外廠商小全面品質管理有差距

展望 2009 年在全球經濟景氣短期仍難見好

轉的情況下全球 IC 產業都將呈現較 2008 年更加

衰退之情況然而全球 IC 產業景氣預估將在 2009

年下半年落底並且在 2010 年呈現逐漸復甦之情

況面對此景氣的寒冬預估 2009 年台灣 IC 產業

產值僅達 9845 億元較 2008 年衰退 269其中

設計業產值為 3030 億新台幣較 2008 年衰退

192製造業為 4350 億新台幣較 2008 年衰退

335封裝業為 1680 億新台幣較 2008 年衰退

242測試業為 785 億新台幣較 2008 年衰退

187

2008 年台灣 IC 產業產值統計與預估

5-9 最新半導體產業事件

5-9-1 DRAM 產業景氣冰風暴下游封測廠也受凍

DRAM 廠如力晶ElpidaHynix茂德與華亞

等紛紛宣佈減產減產達 13再次反映出 DRAM

市場環境的惡劣在 DRAM 封測廠的產能利用率

方面隨著 DRAM 市場的不景氣滿載的情況已

不復見以封裝與測試來分析今年以來平均封裝

產能已經下滑了約 30左右測試產能更下滑了約

40此外 DRAM 廠在九月陸續減產之後預估整

體顆粒產出量縮會在明年一月陸續浮現也將嚴重

擠壓到封測廠的封裝與測試產能的利用率

DRAM 產業為支撐台灣半導體兆元產業半壁

江山的主要推手也是連帶帶動台灣下游封測廠商

業務的重要功臣但 DRAM 具標準型產品特型

會隨著景氣有大起大落的現象也嚴重影響以

DRAM 封測業務為主的部份後段廠商面對美國次

貸風暴的陰影下業者當務之急為盡量爭取非

DRAM 產品如邏輯Flash 等來填補產能並保持現

金水位但長遠來看下游封測廠仍然必須審慎思

考產品佈局以開拓邏輯產品作為分散產業風險的

策略為佳

5-9-2 奇夢達重整 全球裁員三千人

德國 DRAM 大廠 Qimonda 宣佈全球重整計

劃除了將所持有的 356華亞科技持股售予美國

DRAM廠Micron也將全球裁員 3000名員工2009

年 1 月時關閉位於美國 Richmond 的 8 吋廠以及

在 2009年 3月前關閉位於德國Dresden的後段封測

及模組廠另外Qimonda 財務長 Michael Majerus

也宣佈辭職一直被市場分析師認為有資金不足風

險的 Qimonda昨日出售手中持有的華亞科技股權

予美光拿到了 4 億美元的資金正好可再撐一陣

子而 Qimonda 也宣佈全球重整計劃希望完成後

每年省下 45 億歐元的費用成本未來奇夢達將

全更專注在高毛利率的繪圖卡用 GDDR遊戲機及

行動通訊產品使用的利基型 DRAM 等市場降低

集中在標準型 DRAM 市場的風險

從 Qimonda 全球裁員人數高達三千人以及賣

出 Inotera 股權給美國 Micron 這兩個事件來看幾

乎可確定 Qimonda 短期內將淡出標準型 DRAM 市

場並針對公司的產品線及未來定位做進一步的安

排Qimonda 一度位居全球第二大的 DRAM 公司

最後卻因技術發展方向的失誤以及 12 吋晶圓廠

先進製程產能的不足而敗下陣來對台灣的 DRAM

廠商而言是很重要的一個參考案例展望未來

Qimonda 在資金技術12 吋晶圓廠產能等等相

較於美日韓等公司的差距已逐漸拉大在可預

見的未來Qimonda 要重回標準型 DRAM 市場競

爭核心已不可能全球 DRAM 品牌市場將由美

日韓所主導台灣則扮演 DRAM 的重要製造角

色

5-9-3 AMD 組建新合資企業轉移 12 億美元債務

AMD 宣佈計畫分離其製造業務並與阿聯酋阿

布 達 比政 府的 先 進技 術投 資 公司 (Advanced

Technology Investment CoATIC)攜手成立一家

新的合資企業AMD 在一份聲明中表示雙方聯

手後 AMD 將擁有新合資公司 444的股份ATIC

則持有剩餘的 556雙方將在合資企業的董事會

中獲得相同席位

AMD 將為新合資企業提供先進的生產設備

包括位於德國德勒斯頓的兩座晶片製造工廠以及

相關資產和知識產權ATIC 則將向新合資企業注

入 21 億美元其中 14 億美元為直接投資剩餘資

金將用於收購合資企業股份ATIC 還將在未來 5

年內對合資企業投資 36 億至 60 億美元

AMD 在這過程中可說是佔了許多的好處除了

確保將製造業務分割後短期內仍能以較少的代價

獲得新合資公司的產能支援外也能拋開 12 億美

元的債務以及新的合資公司所要投資的產能更新

或擴充的資金壓力而將更多的資金及資源投入在

下一代 IC 產品的開發某種程度上AMD 的作法

很類似售出資產後回租的方式透過這種安排

AMD 得以抬高公司技術研發經費佔營收規模的比

重而能夠以較小的公司規模與全球 CPU 巨擘 Intel

持續在主流的 CPU 市場上展開競爭

六光子晶體在半導體的原理及應用 李韋廷

6-1 序

1948 年美國貝爾實驗室的三位傑出科學

家W SchokleyJ BardeenWH Brattain 發明了

雙極電晶體（Bipolar transistor）世界開始邁入半

導體的世紀在這電子和資訊工業發達的時代出了

許多優秀的科學家而最為人知的應該是 Gordon

Earle Moore（Intel 的創始人之一）Moorersquos Law

引起了熱烈討論半導體的發展是否如他所預言一

般

時間證明了一切現在的半導體蝕刻從

95nm65nm45nm 到 32nmTop-down 的技術逐

漸遇到瓶頸科學家們不斷的研究新的技術希望

能做的更小更快耗能更少的半導體而光晶正

好滿足了此需求

6-2 光子晶體介紹

光子晶體在 1987 年才由科學家正式的給予

此一名稱但在自然中早存在這種性質的物質盛

產於澳洲的寶石蛋白石（圖一）即為一例

圖一

在生物界中也不乏光子晶體的蹤跡以花叢

中翩翩起舞的蝴蝶（圖二-左）為例其色彩斑斕的

翅膀也是拜光子晶體所賜

圖二

而這些色彩繽紛的外觀和色彩與色素無關

倒底光子晶體是如何產生這些斑斕的色彩讓我們

來一窺就盡

晶體（如半導體）當中由於電子受到晶格

的周期性位勢（periodic potential）散色部份波段

會因破壞性干涉形成能階（energy gap）導製電子

的色散關係（dispersion relation）程帶狀分佈這

是眾所皆知的電子能帶結構（ electron band

structure）類似現象也存在於光子系統中在介電

物質其係數呈週期性排列的三維介電材料中電磁

波經介電函數散射後某些波段的電磁波強度會因

破壞性干涉而呈指數衰減光便無法在系統內傳

遞相當於在頻譜上形成能階於是色散關係也具

有帶狀結構此即所謂光子能帶結構（photonic band

structures）當介電物質具有光子能帶結構時就稱

為光能階系統（photonic band gap system簡稱 PBG

系統）或簡稱光子晶體（photonic crystal）光子晶

體是能對光作出反應的特殊晶格而這些晶格有著

規律的排列緊密的結構（圖二-右）當光照射在

光子晶體上時因為受到光子能帶結構的影響部

份波長受到破壞性的干涉無法傳遞產生不同的顏

色這一類影響光子運動的光學結構類似於半導

體晶體對電子的影響經由多次的研究與嘗試終

於製造出人工的光子晶體利用它類似半導體的行

為應用在許多新的半導體元件上如光纖光電

算機等將電子的世代向光子世代邁進

6-3 原理

Photonic Band Gap（PBG）

光能階是來自電子能階（electron band）不連續的

概念如同電子在有歸律的單晶之中X-ray 對其

繞射所產生的影響建構光子能階時也是運用相

同的道理在整齊的 regular crystal 中晶格對光的

影響

原理公式推導利用一維的 Maxwell equation

1

(r) H r

w2

c2 H r

將這一方程式想成是介電係數所產生的 boundary

condition限制電磁波中磁場的行為把這影響寫

成 operator

1

r

換成 bra-cat 的形式

Q H r E f H r 再轉成 Energy equation

E f H r Q H r H r H r

可由上束公式推出能量的不連續性

從電子能階的圖進一步由公式推導至光子晶體的

結果可以發現在 Oscilation potential 圖中有相同

的結果能量會出現不連續

將這一連串不連續的圖譜程現如下

在不連續處就是所謂的 photonic band

gap不同於 electron band gap 的是photonic bad gap

是一 forbidden gap 即光無法通過利用此一原理

無法通過的波長會以其互補色的顏色出現這就是

為什麼光子晶體會有這樣多變的色彩

6-4 製作

光子晶體的製作是非常困難的在科技如此

發達的現在仍然沒有一可量產的製作流程只能

說大自然的鬼斧神工實在令人讚嘆不過經過科

學家的努力人功晶體的製作也有大幅度的進步

除了原有應用在二維晶體的 top-down 蝕刻技術也

研究出三維方向中 button-up 的自組裝技術下圖是

幾種常見的製作方法

以三維晶體為例共有下列幾種的製造方法

過濾離心真空自然乾燥再經過高溫段燒使

晶體因高溫熔融後結構更加堅固

其中自然乾燥和過濾是最常見的作法

6-4-1 自然乾燥法

利用勻像的溶液粒子分佈均勻靜置 3~4 天慢慢

沉澱所產生

均勻混合粒子溶液

靜置等待沉澱

理想的排列狀況

SEM

6-4-2 過濾法

利用抽氣過濾的方法快速的將液體抽乾在

抽乾的同時隨著水流的向下粒子在底部排列

在排列整齊後經過段燒使得粒子排列更堅固

二維晶體主要使用光蝕刻法可以利用光罩的設

計達到光波導的效果讓晶體的排列更整齊晶格

更小

運用以上的製作方法將作出來的光子晶體依照

其物理性質應用在半導體之中

6-5 應用

蝕刻出來的二維光子晶體具有共振性對光

波有一定的選擇性也就是上述原理所說的 PBG

因此可利用將特定波長的光子濾出並轉向做為光

電儀器的訊號傳遞

若將多種不同粒徑大小的光子晶體合在一

起作成一多光子晶體晶格的積體材料加上晶體

的化學性質例如利用偏壓產生振動使晶格結構

改變讓選擇性改變在 detector 端會因為所接受

到的波長不同有不同的訊號產生就好像半導體電

子訊號的產生製造出機械語言 0101 的效果如

此一來便可應用在電子儀器上

但光子晶體通常是使用非導體的材料如二

氧化矽或聚合物的分子球化學性質穩定和物理性

質結構整齊所以大多不易受到酸鹼或外力的影

響在訊號的控制上有不小的困難為了解決這樣

的問題化學家便把半導體材料和有機化合物參雜

至其中

最常見的半導體材料參雜是用 CdSe製作技

術是利用光子晶體的粒子做為模板常用的是

Polystyrene sphere將具有 Cd2+Se2+的離溶液加

入其中以電度的方式將 CdSe 填滿粒子的空隙

在用有機溶液將粒子洗去剩下 CdSe 和之前粒子

所佔的空間如下圖所示

將溶液填入

電度移除粒子

光晶形成

SEM

這一類的光子晶體稱做逆光晶其原理與

光子晶體相同可用半導體偏壓的性質改變晶體

的結構控製訊號的傳遞

另一類的光子晶體是將有機化合物 coating在

粒子的表面通常是由小粒子一層一層 coating讓

粒子越長越大再做沉澱如下圖

利用有機合成的方法step by step合成出粒

徑大小一至的球狀粒子其中粒徑的大小一致性很

重要是能否形成光子晶體的關鍵再 coating 有

機物上去靜置乾燥待液體除去後就完成了

這一類光子晶體通常以其化性為控製因

素可以用酸鹼光電控制而較令人值得討論研

究的範圍是在有機物具 photo sensitive便可用光子

來做為控制的開關達到完全的光積體材料再來是

有機物的光子晶體可運用在生物上利用生物體中

的酵素或是特定的環境做醫療的應用也依靠

分子的作用力在溶液中形成光子晶體利用化學家

的知識將光子晶體運用在各方面

現在光子晶體應用在半導體上仍處於剛起

步的狀態市面上較常見的半導體應用於大型的光

電算機其運算速度都較傳統的電腦快耗能也較

少大幅度降低訊號延遲在其它方面的應用有光

纖傳輸優點在於低耗能無訊號延遲可傳輸高

功率雷射在大角度的訊號流失低透鏡以光子

晶體做成的透鏡具備的優點有平面易製作消散

波可同時聚集沒有像差沒有成像極限在微波領

域利用光子晶體的特性可濾掉一些電磁波做

為輻射的防護避免病變也可用在微波天線的基

底減少微波吸收發熱降低發射器的損耗由上

面眾多的應用可以發現光子晶體不斷的出現在我

們生活當中逐漸取代舊的半導體材料將電子的

世代轉入光子的世紀讓我們靜靜期待光子晶體在

未來的發展

七有機半導體 鄭名宏

7-1 前言

有機半導體(organic semiconductors)是指任何

擁有半導體性值的有機物質自從科學家在 1948

發現苯二甲藍素 (phthlo cyanine)的導電性後正式

開始了研究有機半導體逐步解明有機結晶的電子

狀態隨著研究發展現在有機半導體已廣泛應用

在各種領域之中以下將介紹有機半導體的簡史及

特色再介紹有機發光半導體(OLED)有機薄膜電

晶體(OTFT)高分子有機太陽能電池等三個有機半

導體上熱門且具有潛力的領域

7-2 發展歷史

1977 年日本白川英樹(Hideki Shirakawa)教授

發表的氧化與碘摻雜聚乙炔(polyacetylene)的高導

電性發現透過摻雜的方式可以讓聚乙炔的導電

性提高12個數量級成為導體而另一方面由美

國賓州大學物理系Alan J Heeger與化學系Alan G

MacDiarmid在1974年發表的有機電子元件使用古

典的電子傳導理論解釋這些有機物質的導電率他

們三人的研究開啟了近代十多年來有機導電分子

等的研究開發為了表揚他們在導電高分子的發現

與發展他們三人也在2000年共同獲得了諾貝爾獎

化學獎

雖然有機半導體確實可以克服很多無機半導

體的不足但由於有機半導體先天對於金屬不穩

定低載子移動率(carrier mobility)以及有機材料與

電子元件難以整合等問題讓研究上碰到瓶頸有

機半導體之主動電子元件(有機發光二極體有機太

陽能電池及有機薄膜電晶體)在研發上一直無法突

破這種情形直到1987年美國科達公司的鄧青雲博

士等人利用類似PN接面的雙層有機結構製作出第

一個低電壓高效率的有機發光二極體克服了上

述大部分有關有機半導體的缺點鄧博士所使用的

有機材料的個別分子單元包含了以共價鍵結合的

約30~40個原子以這樣的有機材料所構成的有機

發光二極體被稱作小分子OLED在1990年英國劍

橋大學的研究人員利用有機高分子材料 poly

para-(phenylene vinylene)(PPV)製作出類似的電激

發光的元件此種有機發光二極體被稱作高分子

LED (Polymer Light-Emitting Diode PLED)自此

不但觸發了研究學者對OLEDPLED之密集的研

究也引起業界對OLEDPLED平面顯示器的興趣

有機半導體當今被廣泛使用於光電元件中例

如有機發光二極體(organic light-emitting diodes

OLED)有機太陽能電池(organic solar cells)有機

薄膜電晶體（Organic thin film transistorsOTFT）

的電化學電晶體(electrochemical transistors)與生物

探測的應用等

7-3 有機半導體的特色

有機半導體的優勢有可人工調節其物性有

無機化合物金屬所無的新物性亦即容易混合分

散於高分子化合物中又因可作成高分子狀態可

具備塑膠獨特的加工性成形性大量生產性經

濟性改變種類添加物等而可廣範圍改變特性

但其缺點是載子(擔體)的移動度小於無機半導

體因而不宜利用移動度有關的電氣物性實際

上最近實用化的塑膠熱阻體有機光半導體都是

高分子半導體利用其本身的電阻變化

7-4 有機發光半導體

有機發光二極體（ Organic Light-Emitting

Diode簡稱OLED）與 TFT-LCD「薄膜電晶體液

晶顯示器」（Thin Film Transistor Liquid Crystal

Display）是不同類型的產品部分國外又稱 OLED

為有機電激發光顯示（Organic Electroluminesence

Display OELD）

7-4-1 OLED 的結構與原理

OLED 的基本結構是由一薄而透明具半導體特

性之銦錫氧化物(ITO)與電力之正極相連再加上

另一個金屬陰極包成如三明治的結構整個 結

構層中包括了電洞傳輸層(HTL)發光層(EL)與

電子傳輸層(ETL)當加入一外加偏壓使電子電

洞分別經過電洞傳輸層（Hole Transport Layer）與

電子傳輸層（Electron Transport Layer）後進入一

具有發光特性的有機物質在其內發生再結合時

形成一激發光子（exciton）後再將能量釋放出

來而回到基態（ground state）而這些釋放出來的

能量當中通常由於發光材料的選擇及電子自旋的

特性（spin state characteristics）只有 25（單重態

到基態singlet to ground state）的能量可以用來當

作OLED的發光其餘的 75（三重態到基態triplet

to ground state）是以磷光或熱的形式回歸到基態

由於所選擇的發光材料能階（band gap）的不同

可使這 25的能量以不同顏色的光的形式釋放出

來而形成 OLED 的發光現象

7-4-2 OLED 特點

高分子 OLED 元件的研究與發展便迅速成

長有機發光元件的相關領域得以快速進展得力

於它的元件特性及製作方式十分適合平面顯示器

的應用其特點如下

1不需晶態基板顯示器大小不受限制

2低溫製程可製作在任何基板上

3快速反應時間（ltμs）

4RGB 元件皆可製作

5低操作電壓

6高流明效率

7高亮度高對比

8自發光廣視角

和其他自發光顯示器技術如 CRTTFEL

PDP 及 FED 等相比較OLED 的操作電壓僅需數

伏特至十幾伏特明顯地遠低於其他技術（gt100

由於真空管容易因為放熱過度而造成損壞所

以新一代的電晶體也隨之誕生電晶體的體積比原

本的真空管小上許多大約只有 120 的大小但也

因此放熱量與耗電量比原本的真空管更少能夠保

持較長的穩定使用時間大約 1950 年以後左右

真空管就此被電晶體給完全淘汰

但電晶體畢竟只是單一系統上所儲存的元

件在跟積體電路的龐大資訊處理量相比上終究比

之不足隨著科技逐漸的進步電晶體也逐漸變成

只是類比積體電路中的一小部份而這是科技起飛

的一個大躍進

(3) 積體電路

此即為整篇報告之主旨自從 1958 年之後

德州儀器公司開發出單元素的完整電路此種電路

利用 Si 或 Ge 來作成一個單一的完整電路內容夾

雜電感電阻二極體等等但由於完整並且體積

非常小因此整體而言科技發展就更為輕便直至

今日有所謂超大型或特大型積體電路的存在每

一片晶片上可攜帶 104 甚至到 105 個單位元件雖

然已經可以夾帶龐大的資訊但積體電路的發展還

在持續進步當中

4-5 積體電路的分類

(1) 類比積體電路

類比積體電路本身算是最基礎的積體電路由

各種不同的電路儀器組合而成比如說電阻電

感電容電晶體等等經過排列組合而形成的積體

電路可依照不同的類比訊號組合而處理不同的訊

息而通常這樣的積體電路能夠被作成訊號的放大

器類比乘法器電源管理晶片等等而其本身由

於所要接收的訊號目標特定所以內部組成如果要

以功能來分的話可以拆分為放大器濾波器反饋

電路開關電容電器等等但由於類比積體電路所

接收的訊號本身是屬於連續性的而且其本身所發

出的訊號也是連續性的因此在誤差計算上誤差會

比較大也不如數位積體電路那般準確清晰此為

其最主要的缺點

(2) 數位積體電路

相對於類比積體電路數位積體電路則是由許

多邏輯閘所組合成的電路由於數位訊號相當單純

只有１與０兩種訊號因此處理起來並不繁雜不

容易受到干擾這是相對優於類比積體電路的地

方而數位積體電路需要各種觸發器以及門電路

藉此整體組裝成組合邏輯電路以及時序邏輯電

路由於數位積體電路本身訊號只有１與０所以

要研究以及規畫設計時必須有相當好的邏輯代數

能力現在的積體電路大多以數位積體電路為主

主因也有以下幾點

1 比較穩定不易有雜訊

2 能以光碟或者磁碟片的方式長期儲存

3 可靠性高因其只需感應訊號而不需作詳細

的處理

(3) 混合訊號積體電路

此種積體電路應該是現在社會上發展潛能

最大的積體電路畢竟顧名思義此種積體電路由

兩種積體電路的特性混合並且統整所以兩種積體

電路的優點都能存在並且發揮能夠接收到普通的

類比訊號並且透過電路的方式釋放出來也能夠接

收數位的１與０訊號相對來說也能將兩種訊號

做出轉換並且再做出放大使訊號更明顯其具

體的形象便是將類比積體電路的部分與數位積體

電路的部分放在同一片基層（芯片）上體積與能

夠處理的訊息複雜度相比就小了很多現存的 IC

已經能夠作到將兩種訊息彼此交換的能力稱為數

位類比轉換(DA converter)與類比數位轉換(AD

converter)只是要小心訊號衝突的現象在轉換訊

號方面模式不同也容易造成在收取以及轉換訊號

時的誤判甚至是放大出錯誤的訊號至今以來如

何在訊號轉換上達到最好的效果依然是努力的方

向

積體電路的產業應用與化學工業連結

現存的積體電路產業主要以資訊產業為主比

如說電腦的網路通訊以及電腦本身的資訊儲存記

憶體等等為主但也由於生活中無處都有「測量」

的可能性所以生活中各種測量性的儀器都能夠看

見「微電腦」的存在所謂的微電腦就是積體電

路在生活中最常見的應用舉例如微電腦的體溫

計電子錶電子鐘此為測量上最主要的應用

或者是在訊號的釋放上被放大形成指令的部分也

是一種積體電路的應用比如微電腦電鍋電視

電腦螢幕等等而這種生活中常見的積體電路所要

求的便是快速與簡易操作但如果應用在工業上

就會更要求它的穩定性以及標準化才能有更廣泛

的規定與應用在講求輕便的現代社會應用要求

下如何能使材料越作越小並且考慮到本身材質

的耐用性這就是需要化學人才不斷創造開發的部

分

舉例在鍍膜方面由於鍍上金屬膜時金屬是

呈現電漿狀態因此非常的容易被氧化如何能避

免被氧化是一件很重要的研發課題其次在鍍膜

時金屬膜的厚薄度如何安全性如何以及各種

金屬膜本身是否容易因為速率過快而產生粉塵或

是沉積速率過慢導致成本過高等等都是化學領域

或化工領域能夠研發的發展方向並且在蝕刻晶片

時由於使用的是氫氟酸的水溶液本身液體流動時

所能夠控制的蝕刻面積就不是非常容易即使可

以在蝕刻時所蝕刻出的凹槽本身的反光性質如

何以及回歸到沈積的層次來提沈積之後表面

的膜是否能夠平滑如鏡才能作到下一步的鍍

膜這些層次是屬於化學領域能夠不斷研發的層

次部份也因此在未來的專業領域中以半導體工

業的化工領域都有永無止境的追求目標也是台

灣目前高科技產業的重心

五半導體產業 陳順義 鄭行凱

5-1 台灣半導體產業的發展背景

很多人都同意1947 年在貝爾實驗室所發明的

電晶體是二十一世紀科學技術發展史上最重要的

發明之一從此改變了人類的生活透過快捷半導

體（Fairchild）之 Bob Noyce 的矽晶片金屬連結技

術使得多個電晶體整合在一個晶片的夢想成為可

能1959 年之後積體電路的技術更是一日千里

晶片上的晶體數目每年加倍成本節節降低而導

致半導體產業的快速發展

早期世界半導體市場幾乎完全有美國廠商獨

佔直至七零年代日本廠商加入之後局面才為之

丕變到了七零年代末期美國廠商的市場佔有率

已從原來的 100降到 65左右而日本則上升

至 25八零年代中期日本不但上升至 46而

且全面攻佔新一代 256K 的 DRAM 市場美國的佔

有率則下降至 43為了因應日本強力的挑戰與競

爭力美國廠商逐採用全國跨國分工的策略將技

術層次較低勞動成本較高的封裝與測試製程轉移

到亞洲國家在台灣投資的美國廠商包括通用器材

(General Instruments)RCA 及德州儀器（Texas

Instruments TI）在台灣設廠的還有一家飛利浦

（Philips）這些跨國企業為台灣引進了積體電路的

封裝測試及品管技術因此台灣半導體產業的

發展在起步時與其他亞洲國家相似都是扮演著

美國（或歐洲）廠商的海外封裝測試基地然而

隨後的發展就極為不同了

5-2 台灣半導體產業的發展歷史

第一期外資投入（1966～1974）

外資為台灣帶來封裝技術也間接促進 IC 封

裝技術在台灣擴散然而並未能形成垂直整合的

半導體產業系統有鑑於此台灣政府官員與海外

華人顧問（主要為電子技術顧問委員會 TAC 的成

員）在經過充分討論之後在工業技術研究院下設

置『電子工業發展研究中心』負責 IC 工業的推動

第二期政府研發（1975～1984）

工研院電子研究所三項重要計畫的執行為

台灣半導體產業的發展紮下了厚實的根基第一項

計畫為 1975 年的設置 IC 示範工廠計畫』字 RCA

引進七微米（μm）

金氧半導體晶體（metal oxide semiconductor

transistor MOS）的製造程序在 1977 年獲得成功

不但建立了示範工廠而且良率（yield rate）與表

現甚至超越了美國 RCA 的工廠最後則催生了

台灣第一家公司-聯華電子第二項計畫主要引進光

罩複製技術將製作時間縮短 1～2 週以生 IC 產

品開發的時效第三項計畫是『超大型積體電路技

術發展計畫』當超大型積體電路技術發展計畫成

功之後其研究成果再度衍生了第三家製造公司-

台灣積體電路公司（TSMC）

第三期民間興起（1985～1994）

隨著研發技術的成熟和移轉以及聯華電子驚

人的獲利能力-1983 年名列台灣五百大企業的第一

名隨後都名列前茅於是民間部門對半導體製造

的信心大增投入的公司絡繹於途興起的民間企

業除了由工業技術研究院的電子所衍生之外有

些則來自美籍華人與台灣資本的結合此時期工業

技術研究院在技術開發上推動『微電子技術發展

計畫』與『次微米計畫』衍生出第四家主要公司-

世 界 先 進 公 司 （ Vanguard International

Semiconductor）而且帶動 8 吋晶圓廠的投資風潮

促台灣的半導體產業邁入全新的境界不但由快速

追隨者的角色轉變為同步競爭者而且逐漸成為

世界級的產業在全球 IC 供應鏈中佔有重要而不

可取代的位置

第四期投資熱潮（1995～2004）

1995 宣布要蓋 24 座八吋晶圓廠這些工廠陸

續於 2000 年以前完工這些投資使得台灣半導體

產業迅速發展在世界各國中名列前茅全球半導

體產業垂直分工的特色越來越鮮明精確地說由

於 IC 產業的各個領域與製程都變的十分專業化

每個廠商所專精的核心能力也大不相同而必須選

擇最具競爭優勢的廠商做為合作對象方能降低成

本發揮產業鏈的最大價值許多台灣廠商由於採

用晶圓代工的策略成為美國無晶原廠設計公司

（fabless desgh company）的最佳策略伙伴換言

之自 1995 年之後晶圓代工成為台灣半導體產

業的主流歐美與日本相繼減少對晶圓廠的投資

加上使用代工廠的無晶圓業者樂來越多使得台灣

在全球 IC 生產上的地位越來越鞏固而成為全球

供應鏈上不可或缺的一環

台灣半導體產業發展現況

5-3 產業供需情形

2002 年政府宣佈推出兩兆雙星計畫即選擇半

導體影像顯示器 這兩個預期產值破新台幣兆元

的關鍵零組件產業以及數位內容和生技兩項新興

產業

「兩兆」計畫在半導體產業方面的目標和內容

主要可分為三目標

1 2008 年產值達 12 兆元新台幣

2 全球半導體設計製造中心

3 三家公司進入全球十大企業

而在 2008 年時半導體產業的產值有達到了

135 兆此計畫可說是成功的

其中在半導體產業方面政府成立半導體產

業推動辦公室以提升台灣半導體業之產值並積極

建構台灣成為全球半導 體重要的 IC 設計開發及

製造中樞提升台灣半導體相關產業的附加價值

台灣擁有世界級半導體廠商如全球第一及第二大

IC 製造公司為 台積電聯電全球第七大 IC 設計

公司為聯發科技全球第一及第三大封測廠為日月

光及矽品廠商成績亮眼台灣半導體產業供應鏈

之投資利基在於台灣擁有全球最完整的半導體產

業聚落從 IC 設計製造到封測端皆有國際級廠

商以全球第一大的晶圓代工及封測實力提供廠

商一條龍的服務模式其中 IC 設計 262 家廠商IC

製造 13 家廠商IC 封裝 34 家廠商IC 測試 36

家顯見台灣在半導體產業充分展現垂直分工優

勢以半導體產業群聚形成的矽島台灣中

IC 設計業多分佈於新竹大台北地區新竹

地區約佔 23代表性廠商如聯發科聯詠凌陽

瑞昱矽統立錡茂達等大台北地區約佔 13

廠商包括威盛揚智宇力旺玖等台灣為全球

第二大 IC 設計國僅次於美國台灣擁有聯發科

聯詠原相義隆電群聯等重量性 IC 設計業者

其中聯發科更是位居全球第七大 IC 設計廠商產

品線多元包括消費電子及通訊產品且除 DVD IC

穩居全球第一大之外手機 IC 更在中國市場上獲

得成功市場佔有率超過 40且聯發科除了在中

國市場繳出一張亮眼的成績單外近年來在電視晶

片方面也陸續打入全球品牌大廠且期望擠下泰鼎

（Trident）成為北美最大電視 IC 供應商其晶片

供貨對象遍及外商三星電子LG 電子飛利浦

等國際級大廠群聯則是排名全球前三大 Flash

Controller IC 廠商原相公司則是任天堂 Wii 風靡

全球的關鍵功臣其 Image Sensor 及搖桿 IC使得

家用遊戲機Ｗii 能夠完整發揮互動功能並使Ｗii

成為近兩年來全球最熱門的商品之一

IC 製造業方面多分佈於桃園新竹台中及台

南而一線封測廠則聚集於中部及南部位居半導

體產業中游的 IC 製造台灣表現優異晶圓代工

（Foundry）位居全球龍頭其中台積電一家就佔

了全球超過 5 成的晶圓代工市場其技術實力已達

65 奈米目前往更高階的 45 奈米及 32 奈米前進

除了台積電外台灣更還有全球第二大晶圓代工廠

聯電以及力晶茂德南亞科等 DRAM 廠商

IC 封測方面台灣亦為全球第一大國日月光

及矽品分別排名全球第一大及第三大封裝實力涵

蓋 BGAFlip Chip 等並持續朝晶圓級封裝邁進

其主要客戶群包括 ATI高通飛思卡爾等國際級

大廠

下圖為台灣半導體產業地理分佈

從此圖可以明顯看出台灣的半導體產業大部

分都分布在新竹台北地區尤其是新竹約佔了三分

之二

台灣半導體產業發展現況

5-4 半導體供應鏈

分析半導體產業潛在外商由於台灣半導體產

業鏈完整技術實力雄厚故擁有許多重量級的國

際客戶且與國際大廠合作密切上游 IC 製造方

面全球五大 DRAM 廠商中韓國三星電子已

在台設立 採購及銷售據點韓國 Hynix 與台灣茂

德日本 Elpidia 與台灣力晶 Qimonda 與台灣

南亞科華亞科及華邦等分別均已進行技術授權

研發及產能分配等合作2008 年 4 月南亞科與

美國 Micron(MU-US 美光) 跨國合作共同簽

署成立合資公司有鑑於此建議台灣半導體 產

業供應鏈缺口要像面板一樣走向跨國合作才能改

善目前 DRAM 價 格持續下滑的狀況中游晶圓

代工方面以全球第一大的晶圓代工廠商台積電為

例全球前 20 大半導體公司近一半是台積電的客

戶其中包括全球最大的半導體外商 Intel而全球

前 10 大 IC 設計公司就有 8 家下單在台積電生

產顯見台積電在全球半導體產業供應鏈具有崇高

地位即便是例外的兩家 IC 設計潛在外商 Xilinx

及 Sandisk也都是台灣 IC 製造業者 的客戶再

次證明台灣半導體業者客戶層面涵蓋廣泛

5-5 晶圓材料技術

晶 圓 (Wafer) 是 製 造 積 體 電 路 (Integrated

Circuit IC)的基本材料通常是由矽(Silicon Si)或

砷 化 鎵 (Gallium Arsenide GaAs) 等 半 導 體

(Semiconductor)所組成目前積體電路產業以矽晶

圓為主矽晶圓是目前製作積體電路的基底材料

(Substrate)矽晶圓本身雖然導電性不好但是只要

適當地加入一些離子就可以控制它的導電性在

晶圓表面製造出不同種類的電子元件如電晶體和

二極體IC 設計工程師必須依據不同功能利用這些

電子元件設計電路電路設計完成後所設計的電

路元件圖樣透過積體電路製造技術經過一系列

繁複的化學物理和光學程序製作到矽晶圓上完

成的矽晶圓上產生出數以千百計的晶粒(die)這

些晶粒必須逐一的進行測試切割封裝等過程

才能成為一顆顆具有各種功能的積體電路產品積

體電路的製程是十分精密複雜的其關鍵技術之

一即是在晶圓上製作細小寬度的線條圖樣愈細

的線條表示可以製作愈小尺寸的元件也就是相同

面積下可以有愈多的元件愈多的元件則可以得到

愈多功能的電路晶圓的尺寸可以決定裁切出來

的晶片有多少數量晶圓直徑愈大每片晶圓所能生

產的 IC 顆粒數愈多所需要的製造技術越好目

前最新的中央處理器所使用的是點一的技術所

謂點一的技術就是能控制積體電路線路的大小

（線寬與線距）在 01 微米的能力微米是一種長

度的單位1 微米是一百萬分之一公尺﹝10minus6

m﹞能將線路製作得越細小電子產品的體積也

就可以越小產品的品質與其市場上的單價也就越

高同時在單位矽晶圓的面積上所能生產的積

體電路晶片也就越多晶片的平均成本也就越低

雖然能處理晶圓大小的技術指標與能將線路控制

到多小的技術指標並不相同但是因為積體電路技

術往前推演的時程上的巧合這二種技術指標就常

被一般人互相混用如人們談到八吋晶圓廠時指

的就是點一三（013 微米）點一五（015 微米）

與點一八（018 微米）的製程技術目前談到十二

吋晶圓廠時所指的則是點一（01 微米）的製程

技術因此所謂的八吋十二吋廠間的差異最

重要的不只是能處理的晶圓大小不同而已其所能

製作積體電路的線寬與線距大小才是技術等級重

要的差距所在因為這一部分才真正與產品的層級

相關越小越精密的製程能力代表著能生產的積

體電路產品等級越高因此雖然同樣是八吋晶圓

廠仍會有點一三與點一八製程上的差異也才會

有如新聞中所提所謂高階與低階技術的不同

5-6 記憶體產品

5-6-1 DRAM

我國記憶體產業是以 DRAM 產品為主國內

DRAM 廠商在 12 吋廠產能快速增加以及製程持

續進行微縮使得 DRAM 產出呈現增長的態勢

不僅使我國成為全球 DRAM 單位成本最低的國

家我國 DRAM 產值之全球產品市占率也已超過

20居全球第 2 位（僅次於南韓）進而促使我

國在全球記憶體產業占有關鍵地位未來我國記憶

體廠商除了持續推升我國在全球 DRAM 產業之地

位外為了掌握 NAND Flash 在終端產品市場的龐

大潛在商機廠商已積極投入 NAND Flash 之佈局

5-6-2 類比 IC 產品

類比 IC 是作為橋接物理訊號如光聲音

溫度等自然現象的連續性訊號與電子裝置的重要

媒介其訊號是以連續的形式來傳遞在大自然裏

所表現的各種物理特性絕大多數都是類比屬性

若沒有類比 IC 來橋接物理訊息與電子產品許多

的數位電子產品將會無法完全工作

5-6-3 邏輯 IC

邏輯 IC 在 IC 家族中算是較早出現的產品

尤其標準邏輯 IC(Standard Logic)應是 IC 家族中年

紀最大的其大半只提供基本邏輯運算例如

ANDORNAND 等再由使用者自行組合成本

身電子產品所需之電路特性此一領域最早由

Bipolar 製程出發接著 MOS 產品跟著出現其後

結合兩者優點的 BiCMOS 製程亦廣受歡迎一陣子

5-6-4 微元件 IC

微元件 IC 包括微處理器(Microprocessor

MPU)微控制器(MicrocontrollerMCU)微週邊

(MicroperipheralMPR)和可程式的數位訊號處理器

(Digital Signal ProcessorDSP)四大族群其中 MPU

又可分為複雜指令集 (Complex Instruction Set

Computing CISC) 精 簡 指 令 集 (Reduced

Instruction Set ComputingRISC) 二大類而 MPR

則由較多產品組合而成的集團包括配合各式 MPU

的 系 統 核 心 邏 輯 晶 片 組 (System core Logic

Chipsets)各式視訊控制晶片組 (Graphics and

Imaging Controllers) 通 訊 控 制 晶 片 組

(Communications Controllers)儲存控制晶片組

(Mass Storage Controllers)和其他輸出入控制晶片

組如鍵盤控制器語音輸出入控制器筆式輸

入控制器等微元件 IC 大多使用於資訊通訊等

數位式訊號處理的部份幾乎全是 MOS 製程的產

品

5-7 全球半導體產業前景與碰到的問題

5-7-1 全球半導體產業的分工合作

因為科技的發達IC 產品功能越來越複雜相

對的製程也越來越精密因此各種設備的資金投入

變的更大許多國際整合元件(IDM)製造大廠都委

外晶圓製造據趨勢分析2009 年將有一半委外製

造這個巨變使半導體產業從過去的整合元件模式

變為朝 IC 設計(Fabless)晶圓廠輕簡化(Fab-lite)的

專業分工前進而這種專業分工模式對於半導體產

業分工細緻的台灣而言是相當吃香的因此預期

台灣將在全球的半導體供應鍊扮演著關鍵的角色

5-7-2 全球半導體產業的衰退

2007 年半導體產業在 Vista 需求不如預期且

受庫存嚴重等因素的影響下年成長率只剩下

287原本全球對於 2008 年的半導體市場是保持

樂觀的態度的但受到發端於華爾街股市的金融海

嘯全球實體經濟受到的侵蝕是迅速而深刻的因

此2008 年第三季度末第四季度初全球半導體

產業便已顯露出增長乏力甚至衰退的跡象

而其中最先受到影響的是數字信號處理（DSP）

芯片據市場調查機構 ForwardConcepts 數據指出

2008 年第四季度 DSP 芯片出貨量要較 2007 年同期

減少 5而在第三季度時DSP 芯片出貨量還較

上一季度增長了 8特別是僅僅 9 月份一個月就

較 8 月份增長了 40

ForwardConcepts 總裁 WillStrauss 表示DSP

芯片出貨量減少的原因是因為無線應用領域的使

用量與 2007 年同期持平但多用途和汽車電子領

域的使用量則較 2007 年同期大幅減少了 10

而此時半導體芯片業者的庫存也在急速升

高市場調查機構 iSuppli 數據指出2008 年第四

季度消費性電子用芯片的庫存量可能較上一季度

高出 3 倍左右iSuppli 表示芯片庫存過高將會

影響半導體產品的價格營收和獲利率並將妨礙

半導體產業從衰退走向復甦即使日後需求反彈

所達到的效果也將非常有限而在 2008 年第四季

度末iSuppli 指出全球囤積的芯片價值可能已超過

104 億美元

各家調研機構對於 2009 年全球半導體產業的

銷售收入也不看好SIA 預計2009 年全球半導體

芯片銷售收入將較 2008 年下降 56達到 2467

億美元WSTS 預計2009 年全球半導體銷售收入

將萎縮 22至 2560 億美元Gartner 預計2009

年全球半導體芯片銷售收入增長將僅有 1達到

2822 億美元Gartner 還特別指出若情況進一步

惡化明年半導體芯片銷售收入將有可能下滑

103iSuppli 的數字還是最為悲觀的它預計 2009

年全球半導體芯片銷售收入僅為 2192 億美元較

2008 年大幅下降 163

除了銷售收入的減少方面另一嚴重的問題是

投資人投資慾望的減退這從全球半導體聯盟(GSA)

發表的 2008 年第三季度資金募款報告便可窺見端

倪根據報告內容全球半導體業者在去年第三季

度共募得了 2316 億美元的風險資金較第二季度

大幅縮減 44也較去年同期減少 36顯見半導

體景氣已步入緊縮GSA 指出全球 21 家 Fabless

公司與 IDM 業者第三季度的資金募集情況證實了

風險投資者已對芯片業者的投資興趣逐漸降低

同樣全球半導體設備的支出也在減少連帶

導致半導體產能增加下滑據 Gartner 的最新報告

指出全球半導體設備支出的預期將再度下調不

僅 2008 年半導體設備支出會減少 306達到 311

億美元而且在 2009 年還會進一步減少 317下

滑至 212 億美元Gartner 半導體製造部副總裁

KlausRinnen 表示全球經濟衰退對不景氣的半導

體和設備產業產生了巨大的影響Rinnen 指出目

前所有領域的零組件製造商包括 NANDFlash 和

DRAM 產業都開始採取減產措施並且關閉成本效

率較低的工廠而在晶圓廠部分也開始減緩產

能降低資本支出並且積極研發新技術

設備支出統計預估圖

Gartner 預計2008 年晶圓廠設備支出會減少

3092009 年則將減少 331而在光蝕刻設備

上2008 年支出會減少 22至 2009 年時還將

進一步減少 38主要原因是內存製造商減緩採用

沉浸式技術的時程並延長舊設備的使用期限此

外報告還指出 2009 年全球封裝設備支出也將下

滑 30左右自動測試設備市場也同樣會衰退近

20銷售額甚至會下跌至 20 億美元以下

在晶圓產能方面其增長率也創下自 2002 年

以來的新低據國際半導體設備材料產業協會

(SEMI)公佈的最新《全球晶圓廠預測》報告指出

全球晶圓廠產能在 2008 年僅增長了 5(每月約共

540 萬片)預計 2009 年也僅有 4~5(每月約 610

萬片)的增長在 2003~2007 年增長程度都是兩位

數面對全球性的經濟衰退過度供給以及內存

平均售價跌落許多內存公司選擇關閉 8 英吋工廠

因應

另外一個問題是消費者買氣低迷SIA 總裁

GeorgeScalise 表示由於半導體產業的銷售收入增

長與消費者購買電子產品有密不可分的關係因

此幾乎全球半導體銷售收入有一半是來自於消費

者的購買因此當景氣衰退時對半導體業者將

產生直接衝擊

SIA 引述德意志銀行的一篇報告表示2009 年

全球 PC 銷售將會下降 5手機則預計會下降

64而這兩個市場便佔據全球半導體消費的 60

左右因此2009 年半導體業的衰退將在所難免

5-7-3 全球半導體產業的前景

台積電董事長張忠謀昨在二月二十三日指

出全球半導體業已經觸底但是未來將呈現緩慢

復甦的「L 型反轉」顯示產業景氣仍不是太樂觀

而麥格理全球半導體團隊也同時下修了今年

度半導體營收預測從原本的1951億美元降至1875

億美元年減達到 246

麥格理指出儘管庫存可望於第 2 季就調整至

健康水位並帶動庫存回補急單及營收成長動能

但整體而言美國的終端需求仍然非常疲弱因此

到今年下半年營收都還會有再下修的風險

而全球晶片產能過剩的問題仍將持續至 2009

年全年

麥格理指出目前許多大廠都採取刪減資本支

出的策略以維持足夠的現金流量和美化資產負債

表但卻限制了整體產業的發展

半導體相關族群的股價自去年 12 月以來已經

出現了幾波反彈麥格理指出回顧 2001 年科技

泡沫化時半導體股價也曾出現毫無基本面支持的

「無基之彈」提前反映了市場對於產業景氣回春

的過度樂觀但實際上疲弱的終求終將嚴重限制

產業的成長動能預估 2010 年以前股價還是很

難維持穩定向上趨勢

5-7-4 全球不景氣與半導體

根據各經濟研究機構下修未來景氣來看2007

年全球半導體成長率為 32達 2556 億美元而

這與全球國內生長毛額(GDP)成長率有密切的連動

關係IMF 下修 2009 年全球 GDP 成長率為 22

全球半導體產值呈現-61成長率經濟風暴的擴

散以及電子產品需求下滑造成市場需求疲軟也

間接影響了半導體產業足見半導體寒冬的降臨

而唯一在半導體產業較有成長的國家則為新興國

家主因在於低價消費性電子產品的需求較高

全球半導體產業成長率與 GDP 成長率關係圖

5-8 台灣半導體產業前景與碰到的問題

5-8-1 台灣半導體產業的前景

近年來台灣半導體設備廠商希望擺脫代理

代工傳統但僅以發展中低階產品為主未能建立

國際品牌地位較為成功廠商屬漢民微測及漢辰科

技等切入缺陷量測離子佈值等產品並推出自

有品牌已順利銷售到台積電聯電茂德等業者

也外銷到北美新加坡等地但金額及數量仍未具

備國際實力

半導體主要關鍵設備如光阻塗佈設備微影設

備等都仰賴進口目前上游設備外商在台雖設有公

司但大都屬於技術服務用途初步方式應與上游

設備廠商合作在台共同投資以研發關鍵零組件並

積極引進關鍵技術如氣體控制系統晶圓傳輸機

構製程反應真空系統技術等

在半導體產業競爭激烈及投資設備昂貴等因

素下台灣半導體業者均面臨成本競爭的壓力國

外設備業者若能來台投資就近支援提供此產業缺

口之服務將可共創互利共榮的產業合作關係

展望 2009 年在全球經濟景氣短期仍難見好

轉的情況下全球 IC 產業都將呈現較 2008 年更加

衰退之情況然而全球 IC 產業景氣預估將在 2009

年下半年落底並且在 2010 年呈現逐漸復甦之情

況面對此景氣的寒冬預估 2009 年台灣 IC 產業

產值僅達 9845 億元較 2008 年衰退 269其中

設計業產值為 3030 億新台幣較 2008 年衰退

192製造業為 4350 億新台幣較 2008 年衰退

335封裝業為 1680 億新台幣較 2008 年衰退

242測試業為 785 億新台幣較 2008 年衰退

187

5-8-2 台灣半導體產業受到經濟風暴的影響

2008 年下半年金融巨擘陸續倒閉危及全球經

濟而半導體產業也受到極大衝擊2008 年下半年

開始由於經濟局勢反映了需求面的降溫業者紛

紛下修 2008 年獲利以及營收展望而台灣半導體

產業在此波景氣衰退下的景況與因應之道更加引

發關注

台灣半導體產業供應鏈之缺口在台灣半導體

相關設備零組件等的自製率甚低且缺乏取得設

備規格需求的管道設備開發和製程技術掌握度

低經營規模較海外廠商小全面品質管理有差距

展望 2009 年在全球經濟景氣短期仍難見好

轉的情況下全球 IC 產業都將呈現較 2008 年更加

衰退之情況然而全球 IC 產業景氣預估將在 2009

年下半年落底並且在 2010 年呈現逐漸復甦之情

況面對此景氣的寒冬預估 2009 年台灣 IC 產業

產值僅達 9845 億元較 2008 年衰退 269其中

設計業產值為 3030 億新台幣較 2008 年衰退

192製造業為 4350 億新台幣較 2008 年衰退

335封裝業為 1680 億新台幣較 2008 年衰退

242測試業為 785 億新台幣較 2008 年衰退

187

2008 年台灣 IC 產業產值統計與預估

5-9 最新半導體產業事件

5-9-1 DRAM 產業景氣冰風暴下游封測廠也受凍

DRAM 廠如力晶ElpidaHynix茂德與華亞

等紛紛宣佈減產減產達 13再次反映出 DRAM

市場環境的惡劣在 DRAM 封測廠的產能利用率

方面隨著 DRAM 市場的不景氣滿載的情況已

不復見以封裝與測試來分析今年以來平均封裝

產能已經下滑了約 30左右測試產能更下滑了約

40此外 DRAM 廠在九月陸續減產之後預估整

體顆粒產出量縮會在明年一月陸續浮現也將嚴重

擠壓到封測廠的封裝與測試產能的利用率

DRAM 產業為支撐台灣半導體兆元產業半壁

江山的主要推手也是連帶帶動台灣下游封測廠商

業務的重要功臣但 DRAM 具標準型產品特型

會隨著景氣有大起大落的現象也嚴重影響以

DRAM 封測業務為主的部份後段廠商面對美國次

貸風暴的陰影下業者當務之急為盡量爭取非

DRAM 產品如邏輯Flash 等來填補產能並保持現

金水位但長遠來看下游封測廠仍然必須審慎思

考產品佈局以開拓邏輯產品作為分散產業風險的

策略為佳

5-9-2 奇夢達重整 全球裁員三千人

德國 DRAM 大廠 Qimonda 宣佈全球重整計

劃除了將所持有的 356華亞科技持股售予美國

DRAM廠Micron也將全球裁員 3000名員工2009

年 1 月時關閉位於美國 Richmond 的 8 吋廠以及

在 2009年 3月前關閉位於德國Dresden的後段封測

及模組廠另外Qimonda 財務長 Michael Majerus

也宣佈辭職一直被市場分析師認為有資金不足風

險的 Qimonda昨日出售手中持有的華亞科技股權

予美光拿到了 4 億美元的資金正好可再撐一陣

子而 Qimonda 也宣佈全球重整計劃希望完成後

每年省下 45 億歐元的費用成本未來奇夢達將

全更專注在高毛利率的繪圖卡用 GDDR遊戲機及

行動通訊產品使用的利基型 DRAM 等市場降低

集中在標準型 DRAM 市場的風險

從 Qimonda 全球裁員人數高達三千人以及賣

出 Inotera 股權給美國 Micron 這兩個事件來看幾

乎可確定 Qimonda 短期內將淡出標準型 DRAM 市

場並針對公司的產品線及未來定位做進一步的安

排Qimonda 一度位居全球第二大的 DRAM 公司

最後卻因技術發展方向的失誤以及 12 吋晶圓廠

先進製程產能的不足而敗下陣來對台灣的 DRAM

廠商而言是很重要的一個參考案例展望未來

Qimonda 在資金技術12 吋晶圓廠產能等等相

較於美日韓等公司的差距已逐漸拉大在可預

見的未來Qimonda 要重回標準型 DRAM 市場競

爭核心已不可能全球 DRAM 品牌市場將由美

日韓所主導台灣則扮演 DRAM 的重要製造角

色

5-9-3 AMD 組建新合資企業轉移 12 億美元債務

AMD 宣佈計畫分離其製造業務並與阿聯酋阿

布 達 比政 府的 先 進技 術投 資 公司 (Advanced

Technology Investment CoATIC)攜手成立一家

新的合資企業AMD 在一份聲明中表示雙方聯

手後 AMD 將擁有新合資公司 444的股份ATIC

則持有剩餘的 556雙方將在合資企業的董事會

中獲得相同席位

AMD 將為新合資企業提供先進的生產設備

包括位於德國德勒斯頓的兩座晶片製造工廠以及

相關資產和知識產權ATIC 則將向新合資企業注

入 21 億美元其中 14 億美元為直接投資剩餘資

金將用於收購合資企業股份ATIC 還將在未來 5

年內對合資企業投資 36 億至 60 億美元

AMD 在這過程中可說是佔了許多的好處除了

確保將製造業務分割後短期內仍能以較少的代價

獲得新合資公司的產能支援外也能拋開 12 億美

元的債務以及新的合資公司所要投資的產能更新

或擴充的資金壓力而將更多的資金及資源投入在

下一代 IC 產品的開發某種程度上AMD 的作法

很類似售出資產後回租的方式透過這種安排

AMD 得以抬高公司技術研發經費佔營收規模的比

重而能夠以較小的公司規模與全球 CPU 巨擘 Intel

持續在主流的 CPU 市場上展開競爭

六光子晶體在半導體的原理及應用 李韋廷

6-1 序

1948 年美國貝爾實驗室的三位傑出科學

家W SchokleyJ BardeenWH Brattain 發明了

雙極電晶體（Bipolar transistor）世界開始邁入半

導體的世紀在這電子和資訊工業發達的時代出了

許多優秀的科學家而最為人知的應該是 Gordon

Earle Moore（Intel 的創始人之一）Moorersquos Law

引起了熱烈討論半導體的發展是否如他所預言一

般

時間證明了一切現在的半導體蝕刻從

95nm65nm45nm 到 32nmTop-down 的技術逐

漸遇到瓶頸科學家們不斷的研究新的技術希望

能做的更小更快耗能更少的半導體而光晶正

好滿足了此需求

6-2 光子晶體介紹

光子晶體在 1987 年才由科學家正式的給予

此一名稱但在自然中早存在這種性質的物質盛

產於澳洲的寶石蛋白石（圖一）即為一例

圖一

在生物界中也不乏光子晶體的蹤跡以花叢

中翩翩起舞的蝴蝶（圖二-左）為例其色彩斑斕的

翅膀也是拜光子晶體所賜

圖二

而這些色彩繽紛的外觀和色彩與色素無關

倒底光子晶體是如何產生這些斑斕的色彩讓我們

來一窺就盡

晶體（如半導體）當中由於電子受到晶格

的周期性位勢（periodic potential）散色部份波段

會因破壞性干涉形成能階（energy gap）導製電子

的色散關係（dispersion relation）程帶狀分佈這

是眾所皆知的電子能帶結構（ electron band

structure）類似現象也存在於光子系統中在介電

物質其係數呈週期性排列的三維介電材料中電磁

波經介電函數散射後某些波段的電磁波強度會因

破壞性干涉而呈指數衰減光便無法在系統內傳

遞相當於在頻譜上形成能階於是色散關係也具

有帶狀結構此即所謂光子能帶結構（photonic band

structures）當介電物質具有光子能帶結構時就稱

為光能階系統（photonic band gap system簡稱 PBG

系統）或簡稱光子晶體（photonic crystal）光子晶

體是能對光作出反應的特殊晶格而這些晶格有著

規律的排列緊密的結構（圖二-右）當光照射在

光子晶體上時因為受到光子能帶結構的影響部

份波長受到破壞性的干涉無法傳遞產生不同的顏

色這一類影響光子運動的光學結構類似於半導

體晶體對電子的影響經由多次的研究與嘗試終

於製造出人工的光子晶體利用它類似半導體的行

為應用在許多新的半導體元件上如光纖光電

算機等將電子的世代向光子世代邁進

6-3 原理

Photonic Band Gap（PBG）

光能階是來自電子能階（electron band）不連續的

概念如同電子在有歸律的單晶之中X-ray 對其

繞射所產生的影響建構光子能階時也是運用相

同的道理在整齊的 regular crystal 中晶格對光的

影響

原理公式推導利用一維的 Maxwell equation

1

(r) H r

w2

c2 H r

將這一方程式想成是介電係數所產生的 boundary

condition限制電磁波中磁場的行為把這影響寫

成 operator

1

r

換成 bra-cat 的形式

Q H r E f H r 再轉成 Energy equation

E f H r Q H r H r H r

可由上束公式推出能量的不連續性

從電子能階的圖進一步由公式推導至光子晶體的

結果可以發現在 Oscilation potential 圖中有相同

的結果能量會出現不連續

將這一連串不連續的圖譜程現如下

在不連續處就是所謂的 photonic band

gap不同於 electron band gap 的是photonic bad gap

是一 forbidden gap 即光無法通過利用此一原理

無法通過的波長會以其互補色的顏色出現這就是

為什麼光子晶體會有這樣多變的色彩

6-4 製作

光子晶體的製作是非常困難的在科技如此

發達的現在仍然沒有一可量產的製作流程只能

說大自然的鬼斧神工實在令人讚嘆不過經過科

學家的努力人功晶體的製作也有大幅度的進步

除了原有應用在二維晶體的 top-down 蝕刻技術也

研究出三維方向中 button-up 的自組裝技術下圖是

幾種常見的製作方法

以三維晶體為例共有下列幾種的製造方法

過濾離心真空自然乾燥再經過高溫段燒使

晶體因高溫熔融後結構更加堅固

其中自然乾燥和過濾是最常見的作法

6-4-1 自然乾燥法

利用勻像的溶液粒子分佈均勻靜置 3~4 天慢慢

沉澱所產生

均勻混合粒子溶液

靜置等待沉澱

理想的排列狀況

SEM

6-4-2 過濾法

利用抽氣過濾的方法快速的將液體抽乾在

抽乾的同時隨著水流的向下粒子在底部排列

在排列整齊後經過段燒使得粒子排列更堅固

二維晶體主要使用光蝕刻法可以利用光罩的設

計達到光波導的效果讓晶體的排列更整齊晶格

更小

運用以上的製作方法將作出來的光子晶體依照

其物理性質應用在半導體之中

6-5 應用

蝕刻出來的二維光子晶體具有共振性對光

波有一定的選擇性也就是上述原理所說的 PBG

因此可利用將特定波長的光子濾出並轉向做為光

電儀器的訊號傳遞

若將多種不同粒徑大小的光子晶體合在一

起作成一多光子晶體晶格的積體材料加上晶體

的化學性質例如利用偏壓產生振動使晶格結構

改變讓選擇性改變在 detector 端會因為所接受

到的波長不同有不同的訊號產生就好像半導體電

子訊號的產生製造出機械語言 0101 的效果如

此一來便可應用在電子儀器上

但光子晶體通常是使用非導體的材料如二

氧化矽或聚合物的分子球化學性質穩定和物理性

質結構整齊所以大多不易受到酸鹼或外力的影

響在訊號的控制上有不小的困難為了解決這樣

的問題化學家便把半導體材料和有機化合物參雜

至其中

最常見的半導體材料參雜是用 CdSe製作技

術是利用光子晶體的粒子做為模板常用的是

Polystyrene sphere將具有 Cd2+Se2+的離溶液加

入其中以電度的方式將 CdSe 填滿粒子的空隙

在用有機溶液將粒子洗去剩下 CdSe 和之前粒子

所佔的空間如下圖所示

將溶液填入

電度移除粒子

光晶形成

SEM

這一類的光子晶體稱做逆光晶其原理與

光子晶體相同可用半導體偏壓的性質改變晶體

的結構控製訊號的傳遞

另一類的光子晶體是將有機化合物 coating在

粒子的表面通常是由小粒子一層一層 coating讓

粒子越長越大再做沉澱如下圖

利用有機合成的方法step by step合成出粒

徑大小一至的球狀粒子其中粒徑的大小一致性很

重要是能否形成光子晶體的關鍵再 coating 有

機物上去靜置乾燥待液體除去後就完成了

這一類光子晶體通常以其化性為控製因

素可以用酸鹼光電控制而較令人值得討論研

究的範圍是在有機物具 photo sensitive便可用光子

來做為控制的開關達到完全的光積體材料再來是

有機物的光子晶體可運用在生物上利用生物體中

的酵素或是特定的環境做醫療的應用也依靠

分子的作用力在溶液中形成光子晶體利用化學家

的知識將光子晶體運用在各方面

現在光子晶體應用在半導體上仍處於剛起

步的狀態市面上較常見的半導體應用於大型的光

電算機其運算速度都較傳統的電腦快耗能也較

少大幅度降低訊號延遲在其它方面的應用有光

纖傳輸優點在於低耗能無訊號延遲可傳輸高

功率雷射在大角度的訊號流失低透鏡以光子

晶體做成的透鏡具備的優點有平面易製作消散

波可同時聚集沒有像差沒有成像極限在微波領

域利用光子晶體的特性可濾掉一些電磁波做

為輻射的防護避免病變也可用在微波天線的基

底減少微波吸收發熱降低發射器的損耗由上

面眾多的應用可以發現光子晶體不斷的出現在我

們生活當中逐漸取代舊的半導體材料將電子的

世代轉入光子的世紀讓我們靜靜期待光子晶體在

未來的發展

七有機半導體 鄭名宏

7-1 前言

有機半導體(organic semiconductors)是指任何

擁有半導體性值的有機物質自從科學家在 1948

發現苯二甲藍素 (phthlo cyanine)的導電性後正式

開始了研究有機半導體逐步解明有機結晶的電子

狀態隨著研究發展現在有機半導體已廣泛應用

在各種領域之中以下將介紹有機半導體的簡史及

特色再介紹有機發光半導體(OLED)有機薄膜電

晶體(OTFT)高分子有機太陽能電池等三個有機半

導體上熱門且具有潛力的領域

7-2 發展歷史

1977 年日本白川英樹(Hideki Shirakawa)教授

發表的氧化與碘摻雜聚乙炔(polyacetylene)的高導

電性發現透過摻雜的方式可以讓聚乙炔的導電

性提高12個數量級成為導體而另一方面由美

國賓州大學物理系Alan J Heeger與化學系Alan G

MacDiarmid在1974年發表的有機電子元件使用古

典的電子傳導理論解釋這些有機物質的導電率他

們三人的研究開啟了近代十多年來有機導電分子

等的研究開發為了表揚他們在導電高分子的發現

與發展他們三人也在2000年共同獲得了諾貝爾獎

化學獎

雖然有機半導體確實可以克服很多無機半導

體的不足但由於有機半導體先天對於金屬不穩

定低載子移動率(carrier mobility)以及有機材料與

電子元件難以整合等問題讓研究上碰到瓶頸有

機半導體之主動電子元件(有機發光二極體有機太

陽能電池及有機薄膜電晶體)在研發上一直無法突

破這種情形直到1987年美國科達公司的鄧青雲博

士等人利用類似PN接面的雙層有機結構製作出第

一個低電壓高效率的有機發光二極體克服了上

述大部分有關有機半導體的缺點鄧博士所使用的

有機材料的個別分子單元包含了以共價鍵結合的

約30~40個原子以這樣的有機材料所構成的有機

發光二極體被稱作小分子OLED在1990年英國劍

橋大學的研究人員利用有機高分子材料 poly

para-(phenylene vinylene)(PPV)製作出類似的電激

發光的元件此種有機發光二極體被稱作高分子

LED (Polymer Light-Emitting Diode PLED)自此

不但觸發了研究學者對OLEDPLED之密集的研

究也引起業界對OLEDPLED平面顯示器的興趣

有機半導體當今被廣泛使用於光電元件中例

如有機發光二極體(organic light-emitting diodes

OLED)有機太陽能電池(organic solar cells)有機

薄膜電晶體（Organic thin film transistorsOTFT）

的電化學電晶體(electrochemical transistors)與生物

探測的應用等

7-3 有機半導體的特色

有機半導體的優勢有可人工調節其物性有

無機化合物金屬所無的新物性亦即容易混合分

散於高分子化合物中又因可作成高分子狀態可

具備塑膠獨特的加工性成形性大量生產性經

濟性改變種類添加物等而可廣範圍改變特性

但其缺點是載子(擔體)的移動度小於無機半導

體因而不宜利用移動度有關的電氣物性實際

上最近實用化的塑膠熱阻體有機光半導體都是

高分子半導體利用其本身的電阻變化

7-4 有機發光半導體

有機發光二極體（ Organic Light-Emitting

Diode簡稱OLED）與 TFT-LCD「薄膜電晶體液

晶顯示器」（Thin Film Transistor Liquid Crystal

Display）是不同類型的產品部分國外又稱 OLED

為有機電激發光顯示（Organic Electroluminesence

Display OELD）

7-4-1 OLED 的結構與原理

OLED 的基本結構是由一薄而透明具半導體特

性之銦錫氧化物(ITO)與電力之正極相連再加上

另一個金屬陰極包成如三明治的結構整個 結

構層中包括了電洞傳輸層(HTL)發光層(EL)與

電子傳輸層(ETL)當加入一外加偏壓使電子電

洞分別經過電洞傳輸層（Hole Transport Layer）與

電子傳輸層（Electron Transport Layer）後進入一

具有發光特性的有機物質在其內發生再結合時

形成一激發光子（exciton）後再將能量釋放出

來而回到基態（ground state）而這些釋放出來的

能量當中通常由於發光材料的選擇及電子自旋的

特性（spin state characteristics）只有 25（單重態

到基態singlet to ground state）的能量可以用來當

作OLED的發光其餘的 75（三重態到基態triplet

to ground state）是以磷光或熱的形式回歸到基態

由於所選擇的發光材料能階（band gap）的不同

可使這 25的能量以不同顏色的光的形式釋放出

來而形成 OLED 的發光現象

7-4-2 OLED 特點

高分子 OLED 元件的研究與發展便迅速成

長有機發光元件的相關領域得以快速進展得力

於它的元件特性及製作方式十分適合平面顯示器

的應用其特點如下

1不需晶態基板顯示器大小不受限制

2低溫製程可製作在任何基板上

3快速反應時間（ltμs）

4RGB 元件皆可製作

5低操作電壓

6高流明效率

7高亮度高對比

8自發光廣視角

和其他自發光顯示器技術如 CRTTFEL

PDP 及 FED 等相比較OLED 的操作電壓僅需數

伏特至十幾伏特明顯地遠低於其他技術（gt100

號方面模式不同也容易造成在收取以及轉換訊號

時的誤判甚至是放大出錯誤的訊號至今以來如

何在訊號轉換上達到最好的效果依然是努力的方

向

積體電路的產業應用與化學工業連結

現存的積體電路產業主要以資訊產業為主比

如說電腦的網路通訊以及電腦本身的資訊儲存記

憶體等等為主但也由於生活中無處都有「測量」

的可能性所以生活中各種測量性的儀器都能夠看

見「微電腦」的存在所謂的微電腦就是積體電

路在生活中最常見的應用舉例如微電腦的體溫

計電子錶電子鐘此為測量上最主要的應用

或者是在訊號的釋放上被放大形成指令的部分也

是一種積體電路的應用比如微電腦電鍋電視

電腦螢幕等等而這種生活中常見的積體電路所要

求的便是快速與簡易操作但如果應用在工業上

就會更要求它的穩定性以及標準化才能有更廣泛

的規定與應用在講求輕便的現代社會應用要求

下如何能使材料越作越小並且考慮到本身材質

的耐用性這就是需要化學人才不斷創造開發的部

分

舉例在鍍膜方面由於鍍上金屬膜時金屬是

呈現電漿狀態因此非常的容易被氧化如何能避

免被氧化是一件很重要的研發課題其次在鍍膜

時金屬膜的厚薄度如何安全性如何以及各種

金屬膜本身是否容易因為速率過快而產生粉塵或

是沉積速率過慢導致成本過高等等都是化學領域

或化工領域能夠研發的發展方向並且在蝕刻晶片

時由於使用的是氫氟酸的水溶液本身液體流動時

所能夠控制的蝕刻面積就不是非常容易即使可

以在蝕刻時所蝕刻出的凹槽本身的反光性質如

何以及回歸到沈積的層次來提沈積之後表面

的膜是否能夠平滑如鏡才能作到下一步的鍍

膜這些層次是屬於化學領域能夠不斷研發的層

次部份也因此在未來的專業領域中以半導體工

業的化工領域都有永無止境的追求目標也是台

灣目前高科技產業的重心

五半導體產業 陳順義 鄭行凱

5-1 台灣半導體產業的發展背景

很多人都同意1947 年在貝爾實驗室所發明的

電晶體是二十一世紀科學技術發展史上最重要的

發明之一從此改變了人類的生活透過快捷半導

體（Fairchild）之 Bob Noyce 的矽晶片金屬連結技

術使得多個電晶體整合在一個晶片的夢想成為可

能1959 年之後積體電路的技術更是一日千里

晶片上的晶體數目每年加倍成本節節降低而導

致半導體產業的快速發展

早期世界半導體市場幾乎完全有美國廠商獨

佔直至七零年代日本廠商加入之後局面才為之

丕變到了七零年代末期美國廠商的市場佔有率

已從原來的 100降到 65左右而日本則上升

至 25八零年代中期日本不但上升至 46而

且全面攻佔新一代 256K 的 DRAM 市場美國的佔

有率則下降至 43為了因應日本強力的挑戰與競

爭力美國廠商逐採用全國跨國分工的策略將技

術層次較低勞動成本較高的封裝與測試製程轉移

到亞洲國家在台灣投資的美國廠商包括通用器材

(General Instruments)RCA 及德州儀器（Texas

Instruments TI）在台灣設廠的還有一家飛利浦

（Philips）這些跨國企業為台灣引進了積體電路的

封裝測試及品管技術因此台灣半導體產業的

發展在起步時與其他亞洲國家相似都是扮演著

美國（或歐洲）廠商的海外封裝測試基地然而

隨後的發展就極為不同了

5-2 台灣半導體產業的發展歷史

第一期外資投入（1966～1974）

外資為台灣帶來封裝技術也間接促進 IC 封

裝技術在台灣擴散然而並未能形成垂直整合的

半導體產業系統有鑑於此台灣政府官員與海外

華人顧問（主要為電子技術顧問委員會 TAC 的成

員）在經過充分討論之後在工業技術研究院下設

置『電子工業發展研究中心』負責 IC 工業的推動

第二期政府研發（1975～1984）

工研院電子研究所三項重要計畫的執行為

台灣半導體產業的發展紮下了厚實的根基第一項

計畫為 1975 年的設置 IC 示範工廠計畫』字 RCA

引進七微米（μm）

金氧半導體晶體（metal oxide semiconductor

transistor MOS）的製造程序在 1977 年獲得成功

不但建立了示範工廠而且良率（yield rate）與表

現甚至超越了美國 RCA 的工廠最後則催生了

台灣第一家公司-聯華電子第二項計畫主要引進光

罩複製技術將製作時間縮短 1～2 週以生 IC 產

品開發的時效第三項計畫是『超大型積體電路技

術發展計畫』當超大型積體電路技術發展計畫成

功之後其研究成果再度衍生了第三家製造公司-

台灣積體電路公司（TSMC）

第三期民間興起（1985～1994）

隨著研發技術的成熟和移轉以及聯華電子驚

人的獲利能力-1983 年名列台灣五百大企業的第一

名隨後都名列前茅於是民間部門對半導體製造

的信心大增投入的公司絡繹於途興起的民間企

業除了由工業技術研究院的電子所衍生之外有

些則來自美籍華人與台灣資本的結合此時期工業

技術研究院在技術開發上推動『微電子技術發展

計畫』與『次微米計畫』衍生出第四家主要公司-

世 界 先 進 公 司 （ Vanguard International

Semiconductor）而且帶動 8 吋晶圓廠的投資風潮

促台灣的半導體產業邁入全新的境界不但由快速

追隨者的角色轉變為同步競爭者而且逐漸成為

世界級的產業在全球 IC 供應鏈中佔有重要而不

可取代的位置

第四期投資熱潮（1995～2004）

1995 宣布要蓋 24 座八吋晶圓廠這些工廠陸

續於 2000 年以前完工這些投資使得台灣半導體

產業迅速發展在世界各國中名列前茅全球半導

體產業垂直分工的特色越來越鮮明精確地說由

於 IC 產業的各個領域與製程都變的十分專業化

每個廠商所專精的核心能力也大不相同而必須選

擇最具競爭優勢的廠商做為合作對象方能降低成

本發揮產業鏈的最大價值許多台灣廠商由於採

用晶圓代工的策略成為美國無晶原廠設計公司

（fabless desgh company）的最佳策略伙伴換言

之自 1995 年之後晶圓代工成為台灣半導體產

業的主流歐美與日本相繼減少對晶圓廠的投資

加上使用代工廠的無晶圓業者樂來越多使得台灣

在全球 IC 生產上的地位越來越鞏固而成為全球

供應鏈上不可或缺的一環

台灣半導體產業發展現況

5-3 產業供需情形

2002 年政府宣佈推出兩兆雙星計畫即選擇半

導體影像顯示器 這兩個預期產值破新台幣兆元

的關鍵零組件產業以及數位內容和生技兩項新興

產業

「兩兆」計畫在半導體產業方面的目標和內容

主要可分為三目標

1 2008 年產值達 12 兆元新台幣

2 全球半導體設計製造中心

3 三家公司進入全球十大企業

而在 2008 年時半導體產業的產值有達到了

135 兆此計畫可說是成功的

其中在半導體產業方面政府成立半導體產

業推動辦公室以提升台灣半導體業之產值並積極

建構台灣成為全球半導 體重要的 IC 設計開發及

製造中樞提升台灣半導體相關產業的附加價值

台灣擁有世界級半導體廠商如全球第一及第二大

IC 製造公司為 台積電聯電全球第七大 IC 設計

公司為聯發科技全球第一及第三大封測廠為日月

光及矽品廠商成績亮眼台灣半導體產業供應鏈

之投資利基在於台灣擁有全球最完整的半導體產

業聚落從 IC 設計製造到封測端皆有國際級廠

商以全球第一大的晶圓代工及封測實力提供廠

商一條龍的服務模式其中 IC 設計 262 家廠商IC

製造 13 家廠商IC 封裝 34 家廠商IC 測試 36

家顯見台灣在半導體產業充分展現垂直分工優

勢以半導體產業群聚形成的矽島台灣中

IC 設計業多分佈於新竹大台北地區新竹

地區約佔 23代表性廠商如聯發科聯詠凌陽

瑞昱矽統立錡茂達等大台北地區約佔 13

廠商包括威盛揚智宇力旺玖等台灣為全球

第二大 IC 設計國僅次於美國台灣擁有聯發科

聯詠原相義隆電群聯等重量性 IC 設計業者

其中聯發科更是位居全球第七大 IC 設計廠商產

品線多元包括消費電子及通訊產品且除 DVD IC

穩居全球第一大之外手機 IC 更在中國市場上獲

得成功市場佔有率超過 40且聯發科除了在中

國市場繳出一張亮眼的成績單外近年來在電視晶

片方面也陸續打入全球品牌大廠且期望擠下泰鼎

（Trident）成為北美最大電視 IC 供應商其晶片

供貨對象遍及外商三星電子LG 電子飛利浦

等國際級大廠群聯則是排名全球前三大 Flash

Controller IC 廠商原相公司則是任天堂 Wii 風靡

全球的關鍵功臣其 Image Sensor 及搖桿 IC使得

家用遊戲機Ｗii 能夠完整發揮互動功能並使Ｗii

成為近兩年來全球最熱門的商品之一

IC 製造業方面多分佈於桃園新竹台中及台

南而一線封測廠則聚集於中部及南部位居半導

體產業中游的 IC 製造台灣表現優異晶圓代工

（Foundry）位居全球龍頭其中台積電一家就佔

了全球超過 5 成的晶圓代工市場其技術實力已達

65 奈米目前往更高階的 45 奈米及 32 奈米前進

除了台積電外台灣更還有全球第二大晶圓代工廠

聯電以及力晶茂德南亞科等 DRAM 廠商

IC 封測方面台灣亦為全球第一大國日月光

及矽品分別排名全球第一大及第三大封裝實力涵

蓋 BGAFlip Chip 等並持續朝晶圓級封裝邁進

其主要客戶群包括 ATI高通飛思卡爾等國際級

大廠

下圖為台灣半導體產業地理分佈

從此圖可以明顯看出台灣的半導體產業大部

分都分布在新竹台北地區尤其是新竹約佔了三分

之二

台灣半導體產業發展現況

5-4 半導體供應鏈

分析半導體產業潛在外商由於台灣半導體產

業鏈完整技術實力雄厚故擁有許多重量級的國

際客戶且與國際大廠合作密切上游 IC 製造方

面全球五大 DRAM 廠商中韓國三星電子已

在台設立 採購及銷售據點韓國 Hynix 與台灣茂

德日本 Elpidia 與台灣力晶 Qimonda 與台灣

南亞科華亞科及華邦等分別均已進行技術授權

研發及產能分配等合作2008 年 4 月南亞科與

美國 Micron(MU-US 美光) 跨國合作共同簽

署成立合資公司有鑑於此建議台灣半導體 產

業供應鏈缺口要像面板一樣走向跨國合作才能改

善目前 DRAM 價 格持續下滑的狀況中游晶圓

代工方面以全球第一大的晶圓代工廠商台積電為

例全球前 20 大半導體公司近一半是台積電的客

戶其中包括全球最大的半導體外商 Intel而全球

前 10 大 IC 設計公司就有 8 家下單在台積電生

產顯見台積電在全球半導體產業供應鏈具有崇高

地位即便是例外的兩家 IC 設計潛在外商 Xilinx

及 Sandisk也都是台灣 IC 製造業者 的客戶再

次證明台灣半導體業者客戶層面涵蓋廣泛

5-5 晶圓材料技術

晶 圓 (Wafer) 是 製 造 積 體 電 路 (Integrated

Circuit IC)的基本材料通常是由矽(Silicon Si)或

砷 化 鎵 (Gallium Arsenide GaAs) 等 半 導 體

(Semiconductor)所組成目前積體電路產業以矽晶

圓為主矽晶圓是目前製作積體電路的基底材料

(Substrate)矽晶圓本身雖然導電性不好但是只要

適當地加入一些離子就可以控制它的導電性在

晶圓表面製造出不同種類的電子元件如電晶體和

二極體IC 設計工程師必須依據不同功能利用這些

電子元件設計電路電路設計完成後所設計的電

路元件圖樣透過積體電路製造技術經過一系列

繁複的化學物理和光學程序製作到矽晶圓上完

成的矽晶圓上產生出數以千百計的晶粒(die)這

些晶粒必須逐一的進行測試切割封裝等過程

才能成為一顆顆具有各種功能的積體電路產品積

體電路的製程是十分精密複雜的其關鍵技術之

一即是在晶圓上製作細小寬度的線條圖樣愈細

的線條表示可以製作愈小尺寸的元件也就是相同

面積下可以有愈多的元件愈多的元件則可以得到

愈多功能的電路晶圓的尺寸可以決定裁切出來

的晶片有多少數量晶圓直徑愈大每片晶圓所能生

產的 IC 顆粒數愈多所需要的製造技術越好目

前最新的中央處理器所使用的是點一的技術所

謂點一的技術就是能控制積體電路線路的大小

（線寬與線距）在 01 微米的能力微米是一種長

度的單位1 微米是一百萬分之一公尺﹝10minus6

m﹞能將線路製作得越細小電子產品的體積也

就可以越小產品的品質與其市場上的單價也就越

高同時在單位矽晶圓的面積上所能生產的積

體電路晶片也就越多晶片的平均成本也就越低

雖然能處理晶圓大小的技術指標與能將線路控制

到多小的技術指標並不相同但是因為積體電路技

術往前推演的時程上的巧合這二種技術指標就常

被一般人互相混用如人們談到八吋晶圓廠時指

的就是點一三（013 微米）點一五（015 微米）

與點一八（018 微米）的製程技術目前談到十二

吋晶圓廠時所指的則是點一（01 微米）的製程

技術因此所謂的八吋十二吋廠間的差異最

重要的不只是能處理的晶圓大小不同而已其所能

製作積體電路的線寬與線距大小才是技術等級重

要的差距所在因為這一部分才真正與產品的層級

相關越小越精密的製程能力代表著能生產的積

體電路產品等級越高因此雖然同樣是八吋晶圓

廠仍會有點一三與點一八製程上的差異也才會

有如新聞中所提所謂高階與低階技術的不同

5-6 記憶體產品

5-6-1 DRAM

我國記憶體產業是以 DRAM 產品為主國內

DRAM 廠商在 12 吋廠產能快速增加以及製程持

續進行微縮使得 DRAM 產出呈現增長的態勢

不僅使我國成為全球 DRAM 單位成本最低的國

家我國 DRAM 產值之全球產品市占率也已超過

20居全球第 2 位（僅次於南韓）進而促使我

國在全球記憶體產業占有關鍵地位未來我國記憶

體廠商除了持續推升我國在全球 DRAM 產業之地

位外為了掌握 NAND Flash 在終端產品市場的龐

大潛在商機廠商已積極投入 NAND Flash 之佈局

5-6-2 類比 IC 產品

類比 IC 是作為橋接物理訊號如光聲音

溫度等自然現象的連續性訊號與電子裝置的重要

媒介其訊號是以連續的形式來傳遞在大自然裏

所表現的各種物理特性絕大多數都是類比屬性

若沒有類比 IC 來橋接物理訊息與電子產品許多

的數位電子產品將會無法完全工作

5-6-3 邏輯 IC

邏輯 IC 在 IC 家族中算是較早出現的產品

尤其標準邏輯 IC(Standard Logic)應是 IC 家族中年

紀最大的其大半只提供基本邏輯運算例如

ANDORNAND 等再由使用者自行組合成本

身電子產品所需之電路特性此一領域最早由

Bipolar 製程出發接著 MOS 產品跟著出現其後

結合兩者優點的 BiCMOS 製程亦廣受歡迎一陣子

5-6-4 微元件 IC

微元件 IC 包括微處理器(Microprocessor

MPU)微控制器(MicrocontrollerMCU)微週邊

(MicroperipheralMPR)和可程式的數位訊號處理器

(Digital Signal ProcessorDSP)四大族群其中 MPU

又可分為複雜指令集 (Complex Instruction Set

Computing CISC) 精 簡 指 令 集 (Reduced

Instruction Set ComputingRISC) 二大類而 MPR

則由較多產品組合而成的集團包括配合各式 MPU

的 系 統 核 心 邏 輯 晶 片 組 (System core Logic

Chipsets)各式視訊控制晶片組 (Graphics and

Imaging Controllers) 通 訊 控 制 晶 片 組

(Communications Controllers)儲存控制晶片組

(Mass Storage Controllers)和其他輸出入控制晶片

組如鍵盤控制器語音輸出入控制器筆式輸

入控制器等微元件 IC 大多使用於資訊通訊等

數位式訊號處理的部份幾乎全是 MOS 製程的產

品

5-7 全球半導體產業前景與碰到的問題

5-7-1 全球半導體產業的分工合作

因為科技的發達IC 產品功能越來越複雜相

對的製程也越來越精密因此各種設備的資金投入

變的更大許多國際整合元件(IDM)製造大廠都委

外晶圓製造據趨勢分析2009 年將有一半委外製

造這個巨變使半導體產業從過去的整合元件模式

變為朝 IC 設計(Fabless)晶圓廠輕簡化(Fab-lite)的

專業分工前進而這種專業分工模式對於半導體產

業分工細緻的台灣而言是相當吃香的因此預期

台灣將在全球的半導體供應鍊扮演著關鍵的角色

5-7-2 全球半導體產業的衰退

2007 年半導體產業在 Vista 需求不如預期且

受庫存嚴重等因素的影響下年成長率只剩下

287原本全球對於 2008 年的半導體市場是保持

樂觀的態度的但受到發端於華爾街股市的金融海

嘯全球實體經濟受到的侵蝕是迅速而深刻的因

此2008 年第三季度末第四季度初全球半導體

產業便已顯露出增長乏力甚至衰退的跡象

而其中最先受到影響的是數字信號處理（DSP）

芯片據市場調查機構 ForwardConcepts 數據指出

2008 年第四季度 DSP 芯片出貨量要較 2007 年同期

減少 5而在第三季度時DSP 芯片出貨量還較

上一季度增長了 8特別是僅僅 9 月份一個月就

較 8 月份增長了 40

ForwardConcepts 總裁 WillStrauss 表示DSP

芯片出貨量減少的原因是因為無線應用領域的使

用量與 2007 年同期持平但多用途和汽車電子領

域的使用量則較 2007 年同期大幅減少了 10

而此時半導體芯片業者的庫存也在急速升

高市場調查機構 iSuppli 數據指出2008 年第四

季度消費性電子用芯片的庫存量可能較上一季度

高出 3 倍左右iSuppli 表示芯片庫存過高將會

影響半導體產品的價格營收和獲利率並將妨礙

半導體產業從衰退走向復甦即使日後需求反彈

所達到的效果也將非常有限而在 2008 年第四季

度末iSuppli 指出全球囤積的芯片價值可能已超過

104 億美元

各家調研機構對於 2009 年全球半導體產業的

銷售收入也不看好SIA 預計2009 年全球半導體

芯片銷售收入將較 2008 年下降 56達到 2467

億美元WSTS 預計2009 年全球半導體銷售收入

將萎縮 22至 2560 億美元Gartner 預計2009

年全球半導體芯片銷售收入增長將僅有 1達到

2822 億美元Gartner 還特別指出若情況進一步

惡化明年半導體芯片銷售收入將有可能下滑

103iSuppli 的數字還是最為悲觀的它預計 2009

年全球半導體芯片銷售收入僅為 2192 億美元較

2008 年大幅下降 163

除了銷售收入的減少方面另一嚴重的問題是

投資人投資慾望的減退這從全球半導體聯盟(GSA)

發表的 2008 年第三季度資金募款報告便可窺見端

倪根據報告內容全球半導體業者在去年第三季

度共募得了 2316 億美元的風險資金較第二季度

大幅縮減 44也較去年同期減少 36顯見半導

體景氣已步入緊縮GSA 指出全球 21 家 Fabless

公司與 IDM 業者第三季度的資金募集情況證實了

風險投資者已對芯片業者的投資興趣逐漸降低

同樣全球半導體設備的支出也在減少連帶

導致半導體產能增加下滑據 Gartner 的最新報告

指出全球半導體設備支出的預期將再度下調不

僅 2008 年半導體設備支出會減少 306達到 311

億美元而且在 2009 年還會進一步減少 317下

滑至 212 億美元Gartner 半導體製造部副總裁

KlausRinnen 表示全球經濟衰退對不景氣的半導

體和設備產業產生了巨大的影響Rinnen 指出目

前所有領域的零組件製造商包括 NANDFlash 和

DRAM 產業都開始採取減產措施並且關閉成本效

率較低的工廠而在晶圓廠部分也開始減緩產

能降低資本支出並且積極研發新技術

設備支出統計預估圖

Gartner 預計2008 年晶圓廠設備支出會減少

3092009 年則將減少 331而在光蝕刻設備

上2008 年支出會減少 22至 2009 年時還將

進一步減少 38主要原因是內存製造商減緩採用

沉浸式技術的時程並延長舊設備的使用期限此

外報告還指出 2009 年全球封裝設備支出也將下

滑 30左右自動測試設備市場也同樣會衰退近

20銷售額甚至會下跌至 20 億美元以下

在晶圓產能方面其增長率也創下自 2002 年

以來的新低據國際半導體設備材料產業協會

(SEMI)公佈的最新《全球晶圓廠預測》報告指出

全球晶圓廠產能在 2008 年僅增長了 5(每月約共

540 萬片)預計 2009 年也僅有 4~5(每月約 610

萬片)的增長在 2003~2007 年增長程度都是兩位

數面對全球性的經濟衰退過度供給以及內存

平均售價跌落許多內存公司選擇關閉 8 英吋工廠

因應

另外一個問題是消費者買氣低迷SIA 總裁

GeorgeScalise 表示由於半導體產業的銷售收入增

長與消費者購買電子產品有密不可分的關係因

此幾乎全球半導體銷售收入有一半是來自於消費

者的購買因此當景氣衰退時對半導體業者將

產生直接衝擊

SIA 引述德意志銀行的一篇報告表示2009 年

全球 PC 銷售將會下降 5手機則預計會下降

64而這兩個市場便佔據全球半導體消費的 60

左右因此2009 年半導體業的衰退將在所難免

5-7-3 全球半導體產業的前景

台積電董事長張忠謀昨在二月二十三日指

出全球半導體業已經觸底但是未來將呈現緩慢

復甦的「L 型反轉」顯示產業景氣仍不是太樂觀

而麥格理全球半導體團隊也同時下修了今年

度半導體營收預測從原本的1951億美元降至1875

億美元年減達到 246

麥格理指出儘管庫存可望於第 2 季就調整至

健康水位並帶動庫存回補急單及營收成長動能

但整體而言美國的終端需求仍然非常疲弱因此

到今年下半年營收都還會有再下修的風險

而全球晶片產能過剩的問題仍將持續至 2009

年全年

麥格理指出目前許多大廠都採取刪減資本支

出的策略以維持足夠的現金流量和美化資產負債

表但卻限制了整體產業的發展

半導體相關族群的股價自去年 12 月以來已經

出現了幾波反彈麥格理指出回顧 2001 年科技

泡沫化時半導體股價也曾出現毫無基本面支持的

「無基之彈」提前反映了市場對於產業景氣回春

的過度樂觀但實際上疲弱的終求終將嚴重限制

產業的成長動能預估 2010 年以前股價還是很

難維持穩定向上趨勢

5-7-4 全球不景氣與半導體

根據各經濟研究機構下修未來景氣來看2007

年全球半導體成長率為 32達 2556 億美元而

這與全球國內生長毛額(GDP)成長率有密切的連動

關係IMF 下修 2009 年全球 GDP 成長率為 22

全球半導體產值呈現-61成長率經濟風暴的擴

散以及電子產品需求下滑造成市場需求疲軟也

間接影響了半導體產業足見半導體寒冬的降臨

而唯一在半導體產業較有成長的國家則為新興國

家主因在於低價消費性電子產品的需求較高

全球半導體產業成長率與 GDP 成長率關係圖

5-8 台灣半導體產業前景與碰到的問題

5-8-1 台灣半導體產業的前景

近年來台灣半導體設備廠商希望擺脫代理

代工傳統但僅以發展中低階產品為主未能建立

國際品牌地位較為成功廠商屬漢民微測及漢辰科

技等切入缺陷量測離子佈值等產品並推出自

有品牌已順利銷售到台積電聯電茂德等業者

也外銷到北美新加坡等地但金額及數量仍未具

備國際實力

半導體主要關鍵設備如光阻塗佈設備微影設

備等都仰賴進口目前上游設備外商在台雖設有公

司但大都屬於技術服務用途初步方式應與上游

設備廠商合作在台共同投資以研發關鍵零組件並

積極引進關鍵技術如氣體控制系統晶圓傳輸機

構製程反應真空系統技術等

在半導體產業競爭激烈及投資設備昂貴等因

素下台灣半導體業者均面臨成本競爭的壓力國

外設備業者若能來台投資就近支援提供此產業缺

口之服務將可共創互利共榮的產業合作關係

展望 2009 年在全球經濟景氣短期仍難見好

轉的情況下全球 IC 產業都將呈現較 2008 年更加

衰退之情況然而全球 IC 產業景氣預估將在 2009

年下半年落底並且在 2010 年呈現逐漸復甦之情

況面對此景氣的寒冬預估 2009 年台灣 IC 產業

產值僅達 9845 億元較 2008 年衰退 269其中

設計業產值為 3030 億新台幣較 2008 年衰退

192製造業為 4350 億新台幣較 2008 年衰退

335封裝業為 1680 億新台幣較 2008 年衰退

242測試業為 785 億新台幣較 2008 年衰退

187

5-8-2 台灣半導體產業受到經濟風暴的影響

2008 年下半年金融巨擘陸續倒閉危及全球經

濟而半導體產業也受到極大衝擊2008 年下半年

開始由於經濟局勢反映了需求面的降溫業者紛

紛下修 2008 年獲利以及營收展望而台灣半導體

產業在此波景氣衰退下的景況與因應之道更加引

發關注

台灣半導體產業供應鏈之缺口在台灣半導體

相關設備零組件等的自製率甚低且缺乏取得設

備規格需求的管道設備開發和製程技術掌握度

低經營規模較海外廠商小全面品質管理有差距

展望 2009 年在全球經濟景氣短期仍難見好

轉的情況下全球 IC 產業都將呈現較 2008 年更加

衰退之情況然而全球 IC 產業景氣預估將在 2009

年下半年落底並且在 2010 年呈現逐漸復甦之情

況面對此景氣的寒冬預估 2009 年台灣 IC 產業

產值僅達 9845 億元較 2008 年衰退 269其中

設計業產值為 3030 億新台幣較 2008 年衰退

192製造業為 4350 億新台幣較 2008 年衰退

335封裝業為 1680 億新台幣較 2008 年衰退

242測試業為 785 億新台幣較 2008 年衰退

187

2008 年台灣 IC 產業產值統計與預估

5-9 最新半導體產業事件

5-9-1 DRAM 產業景氣冰風暴下游封測廠也受凍

DRAM 廠如力晶ElpidaHynix茂德與華亞

等紛紛宣佈減產減產達 13再次反映出 DRAM

市場環境的惡劣在 DRAM 封測廠的產能利用率

方面隨著 DRAM 市場的不景氣滿載的情況已

不復見以封裝與測試來分析今年以來平均封裝

產能已經下滑了約 30左右測試產能更下滑了約

40此外 DRAM 廠在九月陸續減產之後預估整

體顆粒產出量縮會在明年一月陸續浮現也將嚴重

擠壓到封測廠的封裝與測試產能的利用率

DRAM 產業為支撐台灣半導體兆元產業半壁

江山的主要推手也是連帶帶動台灣下游封測廠商

業務的重要功臣但 DRAM 具標準型產品特型

會隨著景氣有大起大落的現象也嚴重影響以

DRAM 封測業務為主的部份後段廠商面對美國次

貸風暴的陰影下業者當務之急為盡量爭取非

DRAM 產品如邏輯Flash 等來填補產能並保持現

金水位但長遠來看下游封測廠仍然必須審慎思

考產品佈局以開拓邏輯產品作為分散產業風險的

策略為佳

5-9-2 奇夢達重整 全球裁員三千人

德國 DRAM 大廠 Qimonda 宣佈全球重整計

劃除了將所持有的 356華亞科技持股售予美國

DRAM廠Micron也將全球裁員 3000名員工2009

年 1 月時關閉位於美國 Richmond 的 8 吋廠以及

在 2009年 3月前關閉位於德國Dresden的後段封測

及模組廠另外Qimonda 財務長 Michael Majerus

也宣佈辭職一直被市場分析師認為有資金不足風

險的 Qimonda昨日出售手中持有的華亞科技股權

予美光拿到了 4 億美元的資金正好可再撐一陣

子而 Qimonda 也宣佈全球重整計劃希望完成後

每年省下 45 億歐元的費用成本未來奇夢達將

全更專注在高毛利率的繪圖卡用 GDDR遊戲機及

行動通訊產品使用的利基型 DRAM 等市場降低

集中在標準型 DRAM 市場的風險

從 Qimonda 全球裁員人數高達三千人以及賣

出 Inotera 股權給美國 Micron 這兩個事件來看幾

乎可確定 Qimonda 短期內將淡出標準型 DRAM 市

場並針對公司的產品線及未來定位做進一步的安

排Qimonda 一度位居全球第二大的 DRAM 公司

最後卻因技術發展方向的失誤以及 12 吋晶圓廠

先進製程產能的不足而敗下陣來對台灣的 DRAM

廠商而言是很重要的一個參考案例展望未來

Qimonda 在資金技術12 吋晶圓廠產能等等相

較於美日韓等公司的差距已逐漸拉大在可預

見的未來Qimonda 要重回標準型 DRAM 市場競

爭核心已不可能全球 DRAM 品牌市場將由美

日韓所主導台灣則扮演 DRAM 的重要製造角

色

5-9-3 AMD 組建新合資企業轉移 12 億美元債務

AMD 宣佈計畫分離其製造業務並與阿聯酋阿

布 達 比政 府的 先 進技 術投 資 公司 (Advanced

Technology Investment CoATIC)攜手成立一家

新的合資企業AMD 在一份聲明中表示雙方聯

手後 AMD 將擁有新合資公司 444的股份ATIC

則持有剩餘的 556雙方將在合資企業的董事會

中獲得相同席位

AMD 將為新合資企業提供先進的生產設備

包括位於德國德勒斯頓的兩座晶片製造工廠以及

相關資產和知識產權ATIC 則將向新合資企業注

入 21 億美元其中 14 億美元為直接投資剩餘資

金將用於收購合資企業股份ATIC 還將在未來 5

年內對合資企業投資 36 億至 60 億美元

AMD 在這過程中可說是佔了許多的好處除了

確保將製造業務分割後短期內仍能以較少的代價

獲得新合資公司的產能支援外也能拋開 12 億美

元的債務以及新的合資公司所要投資的產能更新

或擴充的資金壓力而將更多的資金及資源投入在

下一代 IC 產品的開發某種程度上AMD 的作法

很類似售出資產後回租的方式透過這種安排

AMD 得以抬高公司技術研發經費佔營收規模的比

重而能夠以較小的公司規模與全球 CPU 巨擘 Intel

持續在主流的 CPU 市場上展開競爭

六光子晶體在半導體的原理及應用 李韋廷

6-1 序

1948 年美國貝爾實驗室的三位傑出科學

家W SchokleyJ BardeenWH Brattain 發明了

雙極電晶體（Bipolar transistor）世界開始邁入半

導體的世紀在這電子和資訊工業發達的時代出了

許多優秀的科學家而最為人知的應該是 Gordon

Earle Moore（Intel 的創始人之一）Moorersquos Law

引起了熱烈討論半導體的發展是否如他所預言一

般

時間證明了一切現在的半導體蝕刻從

95nm65nm45nm 到 32nmTop-down 的技術逐

漸遇到瓶頸科學家們不斷的研究新的技術希望

能做的更小更快耗能更少的半導體而光晶正

好滿足了此需求

6-2 光子晶體介紹

光子晶體在 1987 年才由科學家正式的給予

此一名稱但在自然中早存在這種性質的物質盛

產於澳洲的寶石蛋白石（圖一）即為一例

圖一

在生物界中也不乏光子晶體的蹤跡以花叢

中翩翩起舞的蝴蝶（圖二-左）為例其色彩斑斕的

翅膀也是拜光子晶體所賜

圖二

而這些色彩繽紛的外觀和色彩與色素無關

倒底光子晶體是如何產生這些斑斕的色彩讓我們

來一窺就盡

晶體（如半導體）當中由於電子受到晶格

的周期性位勢（periodic potential）散色部份波段

會因破壞性干涉形成能階（energy gap）導製電子

的色散關係（dispersion relation）程帶狀分佈這

是眾所皆知的電子能帶結構（ electron band

structure）類似現象也存在於光子系統中在介電

物質其係數呈週期性排列的三維介電材料中電磁

波經介電函數散射後某些波段的電磁波強度會因

破壞性干涉而呈指數衰減光便無法在系統內傳

遞相當於在頻譜上形成能階於是色散關係也具

有帶狀結構此即所謂光子能帶結構（photonic band

structures）當介電物質具有光子能帶結構時就稱

為光能階系統（photonic band gap system簡稱 PBG

系統）或簡稱光子晶體（photonic crystal）光子晶

體是能對光作出反應的特殊晶格而這些晶格有著

規律的排列緊密的結構（圖二-右）當光照射在

光子晶體上時因為受到光子能帶結構的影響部

份波長受到破壞性的干涉無法傳遞產生不同的顏

色這一類影響光子運動的光學結構類似於半導

體晶體對電子的影響經由多次的研究與嘗試終

於製造出人工的光子晶體利用它類似半導體的行

為應用在許多新的半導體元件上如光纖光電

算機等將電子的世代向光子世代邁進

6-3 原理

Photonic Band Gap（PBG）

光能階是來自電子能階（electron band）不連續的

概念如同電子在有歸律的單晶之中X-ray 對其

繞射所產生的影響建構光子能階時也是運用相

同的道理在整齊的 regular crystal 中晶格對光的

影響

原理公式推導利用一維的 Maxwell equation

1

(r) H r

w2

c2 H r

將這一方程式想成是介電係數所產生的 boundary

condition限制電磁波中磁場的行為把這影響寫

成 operator

1

r

換成 bra-cat 的形式

Q H r E f H r 再轉成 Energy equation

E f H r Q H r H r H r

可由上束公式推出能量的不連續性

從電子能階的圖進一步由公式推導至光子晶體的

結果可以發現在 Oscilation potential 圖中有相同

的結果能量會出現不連續

將這一連串不連續的圖譜程現如下

在不連續處就是所謂的 photonic band

gap不同於 electron band gap 的是photonic bad gap

是一 forbidden gap 即光無法通過利用此一原理

無法通過的波長會以其互補色的顏色出現這就是

為什麼光子晶體會有這樣多變的色彩

6-4 製作

光子晶體的製作是非常困難的在科技如此

發達的現在仍然沒有一可量產的製作流程只能

說大自然的鬼斧神工實在令人讚嘆不過經過科

學家的努力人功晶體的製作也有大幅度的進步

除了原有應用在二維晶體的 top-down 蝕刻技術也

研究出三維方向中 button-up 的自組裝技術下圖是

幾種常見的製作方法

以三維晶體為例共有下列幾種的製造方法

過濾離心真空自然乾燥再經過高溫段燒使

晶體因高溫熔融後結構更加堅固

其中自然乾燥和過濾是最常見的作法

6-4-1 自然乾燥法

利用勻像的溶液粒子分佈均勻靜置 3~4 天慢慢

沉澱所產生

均勻混合粒子溶液

靜置等待沉澱

理想的排列狀況

SEM

6-4-2 過濾法

利用抽氣過濾的方法快速的將液體抽乾在

抽乾的同時隨著水流的向下粒子在底部排列

在排列整齊後經過段燒使得粒子排列更堅固

二維晶體主要使用光蝕刻法可以利用光罩的設

計達到光波導的效果讓晶體的排列更整齊晶格

更小

運用以上的製作方法將作出來的光子晶體依照

其物理性質應用在半導體之中

6-5 應用

蝕刻出來的二維光子晶體具有共振性對光

波有一定的選擇性也就是上述原理所說的 PBG

因此可利用將特定波長的光子濾出並轉向做為光

電儀器的訊號傳遞

若將多種不同粒徑大小的光子晶體合在一

起作成一多光子晶體晶格的積體材料加上晶體

的化學性質例如利用偏壓產生振動使晶格結構

改變讓選擇性改變在 detector 端會因為所接受

到的波長不同有不同的訊號產生就好像半導體電

子訊號的產生製造出機械語言 0101 的效果如

此一來便可應用在電子儀器上

但光子晶體通常是使用非導體的材料如二

氧化矽或聚合物的分子球化學性質穩定和物理性

質結構整齊所以大多不易受到酸鹼或外力的影

響在訊號的控制上有不小的困難為了解決這樣

的問題化學家便把半導體材料和有機化合物參雜

至其中

最常見的半導體材料參雜是用 CdSe製作技

術是利用光子晶體的粒子做為模板常用的是

Polystyrene sphere將具有 Cd2+Se2+的離溶液加

入其中以電度的方式將 CdSe 填滿粒子的空隙

在用有機溶液將粒子洗去剩下 CdSe 和之前粒子

所佔的空間如下圖所示

將溶液填入

電度移除粒子

光晶形成

SEM

這一類的光子晶體稱做逆光晶其原理與

光子晶體相同可用半導體偏壓的性質改變晶體

的結構控製訊號的傳遞

另一類的光子晶體是將有機化合物 coating在

粒子的表面通常是由小粒子一層一層 coating讓

粒子越長越大再做沉澱如下圖

利用有機合成的方法step by step合成出粒

徑大小一至的球狀粒子其中粒徑的大小一致性很

重要是能否形成光子晶體的關鍵再 coating 有

機物上去靜置乾燥待液體除去後就完成了

這一類光子晶體通常以其化性為控製因

素可以用酸鹼光電控制而較令人值得討論研

究的範圍是在有機物具 photo sensitive便可用光子

來做為控制的開關達到完全的光積體材料再來是

有機物的光子晶體可運用在生物上利用生物體中

的酵素或是特定的環境做醫療的應用也依靠

分子的作用力在溶液中形成光子晶體利用化學家

的知識將光子晶體運用在各方面

現在光子晶體應用在半導體上仍處於剛起

步的狀態市面上較常見的半導體應用於大型的光

電算機其運算速度都較傳統的電腦快耗能也較

少大幅度降低訊號延遲在其它方面的應用有光

纖傳輸優點在於低耗能無訊號延遲可傳輸高

功率雷射在大角度的訊號流失低透鏡以光子

晶體做成的透鏡具備的優點有平面易製作消散

波可同時聚集沒有像差沒有成像極限在微波領

域利用光子晶體的特性可濾掉一些電磁波做

為輻射的防護避免病變也可用在微波天線的基

底減少微波吸收發熱降低發射器的損耗由上

面眾多的應用可以發現光子晶體不斷的出現在我

們生活當中逐漸取代舊的半導體材料將電子的

世代轉入光子的世紀讓我們靜靜期待光子晶體在

未來的發展

七有機半導體 鄭名宏

7-1 前言

有機半導體(organic semiconductors)是指任何

擁有半導體性值的有機物質自從科學家在 1948

發現苯二甲藍素 (phthlo cyanine)的導電性後正式

開始了研究有機半導體逐步解明有機結晶的電子

狀態隨著研究發展現在有機半導體已廣泛應用

在各種領域之中以下將介紹有機半導體的簡史及

特色再介紹有機發光半導體(OLED)有機薄膜電

晶體(OTFT)高分子有機太陽能電池等三個有機半

導體上熱門且具有潛力的領域

7-2 發展歷史

1977 年日本白川英樹(Hideki Shirakawa)教授

發表的氧化與碘摻雜聚乙炔(polyacetylene)的高導

電性發現透過摻雜的方式可以讓聚乙炔的導電

性提高12個數量級成為導體而另一方面由美

國賓州大學物理系Alan J Heeger與化學系Alan G

MacDiarmid在1974年發表的有機電子元件使用古

典的電子傳導理論解釋這些有機物質的導電率他

們三人的研究開啟了近代十多年來有機導電分子

等的研究開發為了表揚他們在導電高分子的發現

與發展他們三人也在2000年共同獲得了諾貝爾獎

化學獎

雖然有機半導體確實可以克服很多無機半導

體的不足但由於有機半導體先天對於金屬不穩

定低載子移動率(carrier mobility)以及有機材料與

電子元件難以整合等問題讓研究上碰到瓶頸有

機半導體之主動電子元件(有機發光二極體有機太

陽能電池及有機薄膜電晶體)在研發上一直無法突

破這種情形直到1987年美國科達公司的鄧青雲博

士等人利用類似PN接面的雙層有機結構製作出第

一個低電壓高效率的有機發光二極體克服了上

述大部分有關有機半導體的缺點鄧博士所使用的

有機材料的個別分子單元包含了以共價鍵結合的

約30~40個原子以這樣的有機材料所構成的有機

發光二極體被稱作小分子OLED在1990年英國劍

橋大學的研究人員利用有機高分子材料 poly

para-(phenylene vinylene)(PPV)製作出類似的電激

發光的元件此種有機發光二極體被稱作高分子

LED (Polymer Light-Emitting Diode PLED)自此

不但觸發了研究學者對OLEDPLED之密集的研

究也引起業界對OLEDPLED平面顯示器的興趣

有機半導體當今被廣泛使用於光電元件中例

如有機發光二極體(organic light-emitting diodes

OLED)有機太陽能電池(organic solar cells)有機

薄膜電晶體（Organic thin film transistorsOTFT）

的電化學電晶體(electrochemical transistors)與生物

探測的應用等

7-3 有機半導體的特色

有機半導體的優勢有可人工調節其物性有

無機化合物金屬所無的新物性亦即容易混合分

散於高分子化合物中又因可作成高分子狀態可

具備塑膠獨特的加工性成形性大量生產性經

濟性改變種類添加物等而可廣範圍改變特性

但其缺點是載子(擔體)的移動度小於無機半導

體因而不宜利用移動度有關的電氣物性實際

上最近實用化的塑膠熱阻體有機光半導體都是

高分子半導體利用其本身的電阻變化

7-4 有機發光半導體

有機發光二極體（ Organic Light-Emitting

Diode簡稱OLED）與 TFT-LCD「薄膜電晶體液

晶顯示器」（Thin Film Transistor Liquid Crystal

Display）是不同類型的產品部分國外又稱 OLED

為有機電激發光顯示（Organic Electroluminesence

Display OELD）

7-4-1 OLED 的結構與原理

OLED 的基本結構是由一薄而透明具半導體特

性之銦錫氧化物(ITO)與電力之正極相連再加上

另一個金屬陰極包成如三明治的結構整個 結

構層中包括了電洞傳輸層(HTL)發光層(EL)與

電子傳輸層(ETL)當加入一外加偏壓使電子電

洞分別經過電洞傳輸層（Hole Transport Layer）與

電子傳輸層（Electron Transport Layer）後進入一

具有發光特性的有機物質在其內發生再結合時

形成一激發光子（exciton）後再將能量釋放出

來而回到基態（ground state）而這些釋放出來的

能量當中通常由於發光材料的選擇及電子自旋的

特性（spin state characteristics）只有 25（單重態

到基態singlet to ground state）的能量可以用來當

作OLED的發光其餘的 75（三重態到基態triplet

to ground state）是以磷光或熱的形式回歸到基態

由於所選擇的發光材料能階（band gap）的不同

可使這 25的能量以不同顏色的光的形式釋放出

來而形成 OLED 的發光現象

7-4-2 OLED 特點

高分子 OLED 元件的研究與發展便迅速成

長有機發光元件的相關領域得以快速進展得力

於它的元件特性及製作方式十分適合平面顯示器

的應用其特點如下

1不需晶態基板顯示器大小不受限制

2低溫製程可製作在任何基板上

3快速反應時間（ltμs）

4RGB 元件皆可製作

5低操作電壓

6高流明效率

7高亮度高對比

8自發光廣視角

和其他自發光顯示器技術如 CRTTFEL

PDP 及 FED 等相比較OLED 的操作電壓僅需數

伏特至十幾伏特明顯地遠低於其他技術（gt100

計畫為 1975 年的設置 IC 示範工廠計畫』字 RCA

引進七微米（μm）

金氧半導體晶體（metal oxide semiconductor

transistor MOS）的製造程序在 1977 年獲得成功

不但建立了示範工廠而且良率（yield rate）與表

現甚至超越了美國 RCA 的工廠最後則催生了

台灣第一家公司-聯華電子第二項計畫主要引進光

罩複製技術將製作時間縮短 1～2 週以生 IC 產

品開發的時效第三項計畫是『超大型積體電路技

術發展計畫』當超大型積體電路技術發展計畫成

功之後其研究成果再度衍生了第三家製造公司-

台灣積體電路公司（TSMC）

第三期民間興起（1985～1994）

隨著研發技術的成熟和移轉以及聯華電子驚

人的獲利能力-1983 年名列台灣五百大企業的第一

名隨後都名列前茅於是民間部門對半導體製造

的信心大增投入的公司絡繹於途興起的民間企

業除了由工業技術研究院的電子所衍生之外有

些則來自美籍華人與台灣資本的結合此時期工業

技術研究院在技術開發上推動『微電子技術發展

計畫』與『次微米計畫』衍生出第四家主要公司-

世 界 先 進 公 司 （ Vanguard International

Semiconductor）而且帶動 8 吋晶圓廠的投資風潮

促台灣的半導體產業邁入全新的境界不但由快速

追隨者的角色轉變為同步競爭者而且逐漸成為

世界級的產業在全球 IC 供應鏈中佔有重要而不

可取代的位置

第四期投資熱潮（1995～2004）

1995 宣布要蓋 24 座八吋晶圓廠這些工廠陸

續於 2000 年以前完工這些投資使得台灣半導體

產業迅速發展在世界各國中名列前茅全球半導

體產業垂直分工的特色越來越鮮明精確地說由

於 IC 產業的各個領域與製程都變的十分專業化

每個廠商所專精的核心能力也大不相同而必須選

擇最具競爭優勢的廠商做為合作對象方能降低成

本發揮產業鏈的最大價值許多台灣廠商由於採

用晶圓代工的策略成為美國無晶原廠設計公司

（fabless desgh company）的最佳策略伙伴換言

之自 1995 年之後晶圓代工成為台灣半導體產

業的主流歐美與日本相繼減少對晶圓廠的投資

加上使用代工廠的無晶圓業者樂來越多使得台灣

在全球 IC 生產上的地位越來越鞏固而成為全球

供應鏈上不可或缺的一環

台灣半導體產業發展現況

5-3 產業供需情形

2002 年政府宣佈推出兩兆雙星計畫即選擇半

導體影像顯示器 這兩個預期產值破新台幣兆元

的關鍵零組件產業以及數位內容和生技兩項新興

產業

「兩兆」計畫在半導體產業方面的目標和內容

主要可分為三目標

1 2008 年產值達 12 兆元新台幣

2 全球半導體設計製造中心

3 三家公司進入全球十大企業

而在 2008 年時半導體產業的產值有達到了

135 兆此計畫可說是成功的

其中在半導體產業方面政府成立半導體產

業推動辦公室以提升台灣半導體業之產值並積極

建構台灣成為全球半導 體重要的 IC 設計開發及

製造中樞提升台灣半導體相關產業的附加價值

台灣擁有世界級半導體廠商如全球第一及第二大

IC 製造公司為 台積電聯電全球第七大 IC 設計

公司為聯發科技全球第一及第三大封測廠為日月

光及矽品廠商成績亮眼台灣半導體產業供應鏈

之投資利基在於台灣擁有全球最完整的半導體產

業聚落從 IC 設計製造到封測端皆有國際級廠

商以全球第一大的晶圓代工及封測實力提供廠

商一條龍的服務模式其中 IC 設計 262 家廠商IC

製造 13 家廠商IC 封裝 34 家廠商IC 測試 36

家顯見台灣在半導體產業充分展現垂直分工優

勢以半導體產業群聚形成的矽島台灣中

IC 設計業多分佈於新竹大台北地區新竹

地區約佔 23代表性廠商如聯發科聯詠凌陽

瑞昱矽統立錡茂達等大台北地區約佔 13

廠商包括威盛揚智宇力旺玖等台灣為全球

第二大 IC 設計國僅次於美國台灣擁有聯發科

聯詠原相義隆電群聯等重量性 IC 設計業者

其中聯發科更是位居全球第七大 IC 設計廠商產

品線多元包括消費電子及通訊產品且除 DVD IC

穩居全球第一大之外手機 IC 更在中國市場上獲

得成功市場佔有率超過 40且聯發科除了在中

國市場繳出一張亮眼的成績單外近年來在電視晶

片方面也陸續打入全球品牌大廠且期望擠下泰鼎

（Trident）成為北美最大電視 IC 供應商其晶片

供貨對象遍及外商三星電子LG 電子飛利浦

等國際級大廠群聯則是排名全球前三大 Flash

Controller IC 廠商原相公司則是任天堂 Wii 風靡

全球的關鍵功臣其 Image Sensor 及搖桿 IC使得

家用遊戲機Ｗii 能夠完整發揮互動功能並使Ｗii

成為近兩年來全球最熱門的商品之一

IC 製造業方面多分佈於桃園新竹台中及台

南而一線封測廠則聚集於中部及南部位居半導

體產業中游的 IC 製造台灣表現優異晶圓代工

（Foundry）位居全球龍頭其中台積電一家就佔

了全球超過 5 成的晶圓代工市場其技術實力已達

65 奈米目前往更高階的 45 奈米及 32 奈米前進

除了台積電外台灣更還有全球第二大晶圓代工廠

聯電以及力晶茂德南亞科等 DRAM 廠商

IC 封測方面台灣亦為全球第一大國日月光

及矽品分別排名全球第一大及第三大封裝實力涵

蓋 BGAFlip Chip 等並持續朝晶圓級封裝邁進

其主要客戶群包括 ATI高通飛思卡爾等國際級

大廠

下圖為台灣半導體產業地理分佈

從此圖可以明顯看出台灣的半導體產業大部

分都分布在新竹台北地區尤其是新竹約佔了三分

之二

台灣半導體產業發展現況

5-4 半導體供應鏈

分析半導體產業潛在外商由於台灣半導體產

業鏈完整技術實力雄厚故擁有許多重量級的國

際客戶且與國際大廠合作密切上游 IC 製造方

面全球五大 DRAM 廠商中韓國三星電子已

在台設立 採購及銷售據點韓國 Hynix 與台灣茂

德日本 Elpidia 與台灣力晶 Qimonda 與台灣

南亞科華亞科及華邦等分別均已進行技術授權

研發及產能分配等合作2008 年 4 月南亞科與

美國 Micron(MU-US 美光) 跨國合作共同簽

署成立合資公司有鑑於此建議台灣半導體 產

業供應鏈缺口要像面板一樣走向跨國合作才能改

善目前 DRAM 價 格持續下滑的狀況中游晶圓

代工方面以全球第一大的晶圓代工廠商台積電為

例全球前 20 大半導體公司近一半是台積電的客

戶其中包括全球最大的半導體外商 Intel而全球

前 10 大 IC 設計公司就有 8 家下單在台積電生

產顯見台積電在全球半導體產業供應鏈具有崇高

地位即便是例外的兩家 IC 設計潛在外商 Xilinx

及 Sandisk也都是台灣 IC 製造業者 的客戶再

次證明台灣半導體業者客戶層面涵蓋廣泛

5-5 晶圓材料技術

晶 圓 (Wafer) 是 製 造 積 體 電 路 (Integrated

Circuit IC)的基本材料通常是由矽(Silicon Si)或

砷 化 鎵 (Gallium Arsenide GaAs) 等 半 導 體

(Semiconductor)所組成目前積體電路產業以矽晶

圓為主矽晶圓是目前製作積體電路的基底材料

(Substrate)矽晶圓本身雖然導電性不好但是只要

適當地加入一些離子就可以控制它的導電性在

晶圓表面製造出不同種類的電子元件如電晶體和

二極體IC 設計工程師必須依據不同功能利用這些

電子元件設計電路電路設計完成後所設計的電

路元件圖樣透過積體電路製造技術經過一系列

繁複的化學物理和光學程序製作到矽晶圓上完

成的矽晶圓上產生出數以千百計的晶粒(die)這

些晶粒必須逐一的進行測試切割封裝等過程

才能成為一顆顆具有各種功能的積體電路產品積

體電路的製程是十分精密複雜的其關鍵技術之

一即是在晶圓上製作細小寬度的線條圖樣愈細

的線條表示可以製作愈小尺寸的元件也就是相同

面積下可以有愈多的元件愈多的元件則可以得到

愈多功能的電路晶圓的尺寸可以決定裁切出來

的晶片有多少數量晶圓直徑愈大每片晶圓所能生

產的 IC 顆粒數愈多所需要的製造技術越好目

前最新的中央處理器所使用的是點一的技術所

謂點一的技術就是能控制積體電路線路的大小

（線寬與線距）在 01 微米的能力微米是一種長

度的單位1 微米是一百萬分之一公尺﹝10minus6

m﹞能將線路製作得越細小電子產品的體積也

就可以越小產品的品質與其市場上的單價也就越

高同時在單位矽晶圓的面積上所能生產的積

體電路晶片也就越多晶片的平均成本也就越低

雖然能處理晶圓大小的技術指標與能將線路控制

到多小的技術指標並不相同但是因為積體電路技

術往前推演的時程上的巧合這二種技術指標就常

被一般人互相混用如人們談到八吋晶圓廠時指

的就是點一三（013 微米）點一五（015 微米）

與點一八（018 微米）的製程技術目前談到十二

吋晶圓廠時所指的則是點一（01 微米）的製程

技術因此所謂的八吋十二吋廠間的差異最

重要的不只是能處理的晶圓大小不同而已其所能

製作積體電路的線寬與線距大小才是技術等級重

要的差距所在因為這一部分才真正與產品的層級

相關越小越精密的製程能力代表著能生產的積

體電路產品等級越高因此雖然同樣是八吋晶圓

廠仍會有點一三與點一八製程上的差異也才會

有如新聞中所提所謂高階與低階技術的不同

5-6 記憶體產品

5-6-1 DRAM

我國記憶體產業是以 DRAM 產品為主國內

DRAM 廠商在 12 吋廠產能快速增加以及製程持

續進行微縮使得 DRAM 產出呈現增長的態勢

不僅使我國成為全球 DRAM 單位成本最低的國

家我國 DRAM 產值之全球產品市占率也已超過

20居全球第 2 位（僅次於南韓）進而促使我

國在全球記憶體產業占有關鍵地位未來我國記憶

體廠商除了持續推升我國在全球 DRAM 產業之地

位外為了掌握 NAND Flash 在終端產品市場的龐

大潛在商機廠商已積極投入 NAND Flash 之佈局

5-6-2 類比 IC 產品

類比 IC 是作為橋接物理訊號如光聲音

溫度等自然現象的連續性訊號與電子裝置的重要

媒介其訊號是以連續的形式來傳遞在大自然裏

所表現的各種物理特性絕大多數都是類比屬性

若沒有類比 IC 來橋接物理訊息與電子產品許多

的數位電子產品將會無法完全工作

5-6-3 邏輯 IC

邏輯 IC 在 IC 家族中算是較早出現的產品

尤其標準邏輯 IC(Standard Logic)應是 IC 家族中年

紀最大的其大半只提供基本邏輯運算例如

ANDORNAND 等再由使用者自行組合成本

身電子產品所需之電路特性此一領域最早由

Bipolar 製程出發接著 MOS 產品跟著出現其後

結合兩者優點的 BiCMOS 製程亦廣受歡迎一陣子

5-6-4 微元件 IC

微元件 IC 包括微處理器(Microprocessor

MPU)微控制器(MicrocontrollerMCU)微週邊

(MicroperipheralMPR)和可程式的數位訊號處理器

(Digital Signal ProcessorDSP)四大族群其中 MPU

又可分為複雜指令集 (Complex Instruction Set

Computing CISC) 精 簡 指 令 集 (Reduced

Instruction Set ComputingRISC) 二大類而 MPR

則由較多產品組合而成的集團包括配合各式 MPU

的 系 統 核 心 邏 輯 晶 片 組 (System core Logic

Chipsets)各式視訊控制晶片組 (Graphics and

Imaging Controllers) 通 訊 控 制 晶 片 組

(Communications Controllers)儲存控制晶片組

(Mass Storage Controllers)和其他輸出入控制晶片

組如鍵盤控制器語音輸出入控制器筆式輸

入控制器等微元件 IC 大多使用於資訊通訊等

數位式訊號處理的部份幾乎全是 MOS 製程的產

品

5-7 全球半導體產業前景與碰到的問題

5-7-1 全球半導體產業的分工合作

因為科技的發達IC 產品功能越來越複雜相

對的製程也越來越精密因此各種設備的資金投入

變的更大許多國際整合元件(IDM)製造大廠都委

外晶圓製造據趨勢分析2009 年將有一半委外製

造這個巨變使半導體產業從過去的整合元件模式

變為朝 IC 設計(Fabless)晶圓廠輕簡化(Fab-lite)的

專業分工前進而這種專業分工模式對於半導體產

業分工細緻的台灣而言是相當吃香的因此預期

台灣將在全球的半導體供應鍊扮演著關鍵的角色

5-7-2 全球半導體產業的衰退

2007 年半導體產業在 Vista 需求不如預期且

受庫存嚴重等因素的影響下年成長率只剩下

287原本全球對於 2008 年的半導體市場是保持

樂觀的態度的但受到發端於華爾街股市的金融海

嘯全球實體經濟受到的侵蝕是迅速而深刻的因

此2008 年第三季度末第四季度初全球半導體

產業便已顯露出增長乏力甚至衰退的跡象

而其中最先受到影響的是數字信號處理（DSP）

芯片據市場調查機構 ForwardConcepts 數據指出

2008 年第四季度 DSP 芯片出貨量要較 2007 年同期

減少 5而在第三季度時DSP 芯片出貨量還較

上一季度增長了 8特別是僅僅 9 月份一個月就

較 8 月份增長了 40

ForwardConcepts 總裁 WillStrauss 表示DSP

芯片出貨量減少的原因是因為無線應用領域的使

用量與 2007 年同期持平但多用途和汽車電子領

域的使用量則較 2007 年同期大幅減少了 10

而此時半導體芯片業者的庫存也在急速升

高市場調查機構 iSuppli 數據指出2008 年第四

季度消費性電子用芯片的庫存量可能較上一季度

高出 3 倍左右iSuppli 表示芯片庫存過高將會

影響半導體產品的價格營收和獲利率並將妨礙

半導體產業從衰退走向復甦即使日後需求反彈

所達到的效果也將非常有限而在 2008 年第四季

度末iSuppli 指出全球囤積的芯片價值可能已超過

104 億美元

各家調研機構對於 2009 年全球半導體產業的

銷售收入也不看好SIA 預計2009 年全球半導體

芯片銷售收入將較 2008 年下降 56達到 2467

億美元WSTS 預計2009 年全球半導體銷售收入

將萎縮 22至 2560 億美元Gartner 預計2009

年全球半導體芯片銷售收入增長將僅有 1達到

2822 億美元Gartner 還特別指出若情況進一步

惡化明年半導體芯片銷售收入將有可能下滑

103iSuppli 的數字還是最為悲觀的它預計 2009

年全球半導體芯片銷售收入僅為 2192 億美元較

2008 年大幅下降 163

除了銷售收入的減少方面另一嚴重的問題是

投資人投資慾望的減退這從全球半導體聯盟(GSA)

發表的 2008 年第三季度資金募款報告便可窺見端

倪根據報告內容全球半導體業者在去年第三季

度共募得了 2316 億美元的風險資金較第二季度

大幅縮減 44也較去年同期減少 36顯見半導

體景氣已步入緊縮GSA 指出全球 21 家 Fabless

公司與 IDM 業者第三季度的資金募集情況證實了

風險投資者已對芯片業者的投資興趣逐漸降低

同樣全球半導體設備的支出也在減少連帶

導致半導體產能增加下滑據 Gartner 的最新報告

指出全球半導體設備支出的預期將再度下調不

僅 2008 年半導體設備支出會減少 306達到 311

億美元而且在 2009 年還會進一步減少 317下

滑至 212 億美元Gartner 半導體製造部副總裁

KlausRinnen 表示全球經濟衰退對不景氣的半導

體和設備產業產生了巨大的影響Rinnen 指出目

前所有領域的零組件製造商包括 NANDFlash 和

DRAM 產業都開始採取減產措施並且關閉成本效

率較低的工廠而在晶圓廠部分也開始減緩產

能降低資本支出並且積極研發新技術

設備支出統計預估圖

Gartner 預計2008 年晶圓廠設備支出會減少

3092009 年則將減少 331而在光蝕刻設備

上2008 年支出會減少 22至 2009 年時還將

進一步減少 38主要原因是內存製造商減緩採用

沉浸式技術的時程並延長舊設備的使用期限此

外報告還指出 2009 年全球封裝設備支出也將下

滑 30左右自動測試設備市場也同樣會衰退近

20銷售額甚至會下跌至 20 億美元以下

在晶圓產能方面其增長率也創下自 2002 年

以來的新低據國際半導體設備材料產業協會

(SEMI)公佈的最新《全球晶圓廠預測》報告指出

全球晶圓廠產能在 2008 年僅增長了 5(每月約共

540 萬片)預計 2009 年也僅有 4~5(每月約 610

萬片)的增長在 2003~2007 年增長程度都是兩位

數面對全球性的經濟衰退過度供給以及內存

平均售價跌落許多內存公司選擇關閉 8 英吋工廠

因應

另外一個問題是消費者買氣低迷SIA 總裁

GeorgeScalise 表示由於半導體產業的銷售收入增

長與消費者購買電子產品有密不可分的關係因

此幾乎全球半導體銷售收入有一半是來自於消費

者的購買因此當景氣衰退時對半導體業者將

產生直接衝擊

SIA 引述德意志銀行的一篇報告表示2009 年

全球 PC 銷售將會下降 5手機則預計會下降

64而這兩個市場便佔據全球半導體消費的 60

左右因此2009 年半導體業的衰退將在所難免

5-7-3 全球半導體產業的前景

台積電董事長張忠謀昨在二月二十三日指

出全球半導體業已經觸底但是未來將呈現緩慢

復甦的「L 型反轉」顯示產業景氣仍不是太樂觀

而麥格理全球半導體團隊也同時下修了今年

度半導體營收預測從原本的1951億美元降至1875

億美元年減達到 246

麥格理指出儘管庫存可望於第 2 季就調整至

健康水位並帶動庫存回補急單及營收成長動能

但整體而言美國的終端需求仍然非常疲弱因此

到今年下半年營收都還會有再下修的風險

而全球晶片產能過剩的問題仍將持續至 2009

年全年

麥格理指出目前許多大廠都採取刪減資本支

出的策略以維持足夠的現金流量和美化資產負債

表但卻限制了整體產業的發展

半導體相關族群的股價自去年 12 月以來已經

出現了幾波反彈麥格理指出回顧 2001 年科技

泡沫化時半導體股價也曾出現毫無基本面支持的

「無基之彈」提前反映了市場對於產業景氣回春

的過度樂觀但實際上疲弱的終求終將嚴重限制

產業的成長動能預估 2010 年以前股價還是很

難維持穩定向上趨勢

5-7-4 全球不景氣與半導體

根據各經濟研究機構下修未來景氣來看2007

年全球半導體成長率為 32達 2556 億美元而

這與全球國內生長毛額(GDP)成長率有密切的連動

關係IMF 下修 2009 年全球 GDP 成長率為 22

全球半導體產值呈現-61成長率經濟風暴的擴

散以及電子產品需求下滑造成市場需求疲軟也

間接影響了半導體產業足見半導體寒冬的降臨

而唯一在半導體產業較有成長的國家則為新興國

家主因在於低價消費性電子產品的需求較高

全球半導體產業成長率與 GDP 成長率關係圖

5-8 台灣半導體產業前景與碰到的問題

5-8-1 台灣半導體產業的前景

近年來台灣半導體設備廠商希望擺脫代理

代工傳統但僅以發展中低階產品為主未能建立

國際品牌地位較為成功廠商屬漢民微測及漢辰科

技等切入缺陷量測離子佈值等產品並推出自

有品牌已順利銷售到台積電聯電茂德等業者

也外銷到北美新加坡等地但金額及數量仍未具

備國際實力

半導體主要關鍵設備如光阻塗佈設備微影設

備等都仰賴進口目前上游設備外商在台雖設有公

司但大都屬於技術服務用途初步方式應與上游

設備廠商合作在台共同投資以研發關鍵零組件並

積極引進關鍵技術如氣體控制系統晶圓傳輸機

構製程反應真空系統技術等

在半導體產業競爭激烈及投資設備昂貴等因

素下台灣半導體業者均面臨成本競爭的壓力國

外設備業者若能來台投資就近支援提供此產業缺

口之服務將可共創互利共榮的產業合作關係

展望 2009 年在全球經濟景氣短期仍難見好

轉的情況下全球 IC 產業都將呈現較 2008 年更加

衰退之情況然而全球 IC 產業景氣預估將在 2009

年下半年落底並且在 2010 年呈現逐漸復甦之情

況面對此景氣的寒冬預估 2009 年台灣 IC 產業

產值僅達 9845 億元較 2008 年衰退 269其中

設計業產值為 3030 億新台幣較 2008 年衰退

192製造業為 4350 億新台幣較 2008 年衰退

335封裝業為 1680 億新台幣較 2008 年衰退

242測試業為 785 億新台幣較 2008 年衰退

187

5-8-2 台灣半導體產業受到經濟風暴的影響

2008 年下半年金融巨擘陸續倒閉危及全球經

濟而半導體產業也受到極大衝擊2008 年下半年

開始由於經濟局勢反映了需求面的降溫業者紛

紛下修 2008 年獲利以及營收展望而台灣半導體

產業在此波景氣衰退下的景況與因應之道更加引

發關注

台灣半導體產業供應鏈之缺口在台灣半導體

相關設備零組件等的自製率甚低且缺乏取得設

備規格需求的管道設備開發和製程技術掌握度

低經營規模較海外廠商小全面品質管理有差距

展望 2009 年在全球經濟景氣短期仍難見好

轉的情況下全球 IC 產業都將呈現較 2008 年更加

衰退之情況然而全球 IC 產業景氣預估將在 2009

年下半年落底並且在 2010 年呈現逐漸復甦之情

況面對此景氣的寒冬預估 2009 年台灣 IC 產業

產值僅達 9845 億元較 2008 年衰退 269其中

設計業產值為 3030 億新台幣較 2008 年衰退

192製造業為 4350 億新台幣較 2008 年衰退

335封裝業為 1680 億新台幣較 2008 年衰退

242測試業為 785 億新台幣較 2008 年衰退

187

2008 年台灣 IC 產業產值統計與預估

5-9 最新半導體產業事件

5-9-1 DRAM 產業景氣冰風暴下游封測廠也受凍

DRAM 廠如力晶ElpidaHynix茂德與華亞

等紛紛宣佈減產減產達 13再次反映出 DRAM

市場環境的惡劣在 DRAM 封測廠的產能利用率

方面隨著 DRAM 市場的不景氣滿載的情況已

不復見以封裝與測試來分析今年以來平均封裝

產能已經下滑了約 30左右測試產能更下滑了約

40此外 DRAM 廠在九月陸續減產之後預估整

體顆粒產出量縮會在明年一月陸續浮現也將嚴重

擠壓到封測廠的封裝與測試產能的利用率

DRAM 產業為支撐台灣半導體兆元產業半壁

江山的主要推手也是連帶帶動台灣下游封測廠商

業務的重要功臣但 DRAM 具標準型產品特型

會隨著景氣有大起大落的現象也嚴重影響以

DRAM 封測業務為主的部份後段廠商面對美國次

貸風暴的陰影下業者當務之急為盡量爭取非

DRAM 產品如邏輯Flash 等來填補產能並保持現

金水位但長遠來看下游封測廠仍然必須審慎思

考產品佈局以開拓邏輯產品作為分散產業風險的

策略為佳

5-9-2 奇夢達重整 全球裁員三千人

德國 DRAM 大廠 Qimonda 宣佈全球重整計

劃除了將所持有的 356華亞科技持股售予美國

DRAM廠Micron也將全球裁員 3000名員工2009

年 1 月時關閉位於美國 Richmond 的 8 吋廠以及

在 2009年 3月前關閉位於德國Dresden的後段封測

及模組廠另外Qimonda 財務長 Michael Majerus

也宣佈辭職一直被市場分析師認為有資金不足風

險的 Qimonda昨日出售手中持有的華亞科技股權

予美光拿到了 4 億美元的資金正好可再撐一陣

子而 Qimonda 也宣佈全球重整計劃希望完成後

每年省下 45 億歐元的費用成本未來奇夢達將

全更專注在高毛利率的繪圖卡用 GDDR遊戲機及

行動通訊產品使用的利基型 DRAM 等市場降低

集中在標準型 DRAM 市場的風險

從 Qimonda 全球裁員人數高達三千人以及賣

出 Inotera 股權給美國 Micron 這兩個事件來看幾

乎可確定 Qimonda 短期內將淡出標準型 DRAM 市

場並針對公司的產品線及未來定位做進一步的安

排Qimonda 一度位居全球第二大的 DRAM 公司

最後卻因技術發展方向的失誤以及 12 吋晶圓廠

先進製程產能的不足而敗下陣來對台灣的 DRAM

廠商而言是很重要的一個參考案例展望未來

Qimonda 在資金技術12 吋晶圓廠產能等等相

較於美日韓等公司的差距已逐漸拉大在可預

見的未來Qimonda 要重回標準型 DRAM 市場競

爭核心已不可能全球 DRAM 品牌市場將由美

日韓所主導台灣則扮演 DRAM 的重要製造角

色

5-9-3 AMD 組建新合資企業轉移 12 億美元債務

AMD 宣佈計畫分離其製造業務並與阿聯酋阿

布 達 比政 府的 先 進技 術投 資 公司 (Advanced

Technology Investment CoATIC)攜手成立一家

新的合資企業AMD 在一份聲明中表示雙方聯

手後 AMD 將擁有新合資公司 444的股份ATIC

則持有剩餘的 556雙方將在合資企業的董事會

中獲得相同席位

AMD 將為新合資企業提供先進的生產設備

包括位於德國德勒斯頓的兩座晶片製造工廠以及

相關資產和知識產權ATIC 則將向新合資企業注

入 21 億美元其中 14 億美元為直接投資剩餘資

金將用於收購合資企業股份ATIC 還將在未來 5

年內對合資企業投資 36 億至 60 億美元

AMD 在這過程中可說是佔了許多的好處除了

確保將製造業務分割後短期內仍能以較少的代價

獲得新合資公司的產能支援外也能拋開 12 億美

元的債務以及新的合資公司所要投資的產能更新

或擴充的資金壓力而將更多的資金及資源投入在

下一代 IC 產品的開發某種程度上AMD 的作法

很類似售出資產後回租的方式透過這種安排

AMD 得以抬高公司技術研發經費佔營收規模的比

重而能夠以較小的公司規模與全球 CPU 巨擘 Intel

持續在主流的 CPU 市場上展開競爭

六光子晶體在半導體的原理及應用 李韋廷

6-1 序

1948 年美國貝爾實驗室的三位傑出科學

家W SchokleyJ BardeenWH Brattain 發明了

雙極電晶體（Bipolar transistor）世界開始邁入半

導體的世紀在這電子和資訊工業發達的時代出了

許多優秀的科學家而最為人知的應該是 Gordon

Earle Moore（Intel 的創始人之一）Moorersquos Law

引起了熱烈討論半導體的發展是否如他所預言一

般

時間證明了一切現在的半導體蝕刻從

95nm65nm45nm 到 32nmTop-down 的技術逐

漸遇到瓶頸科學家們不斷的研究新的技術希望

能做的更小更快耗能更少的半導體而光晶正

好滿足了此需求

6-2 光子晶體介紹

光子晶體在 1987 年才由科學家正式的給予

此一名稱但在自然中早存在這種性質的物質盛

產於澳洲的寶石蛋白石（圖一）即為一例

圖一

在生物界中也不乏光子晶體的蹤跡以花叢

中翩翩起舞的蝴蝶（圖二-左）為例其色彩斑斕的

翅膀也是拜光子晶體所賜

圖二

而這些色彩繽紛的外觀和色彩與色素無關

倒底光子晶體是如何產生這些斑斕的色彩讓我們

來一窺就盡

晶體（如半導體）當中由於電子受到晶格

的周期性位勢（periodic potential）散色部份波段

會因破壞性干涉形成能階（energy gap）導製電子

的色散關係（dispersion relation）程帶狀分佈這

是眾所皆知的電子能帶結構（ electron band

structure）類似現象也存在於光子系統中在介電

物質其係數呈週期性排列的三維介電材料中電磁

波經介電函數散射後某些波段的電磁波強度會因

破壞性干涉而呈指數衰減光便無法在系統內傳

遞相當於在頻譜上形成能階於是色散關係也具

有帶狀結構此即所謂光子能帶結構（photonic band

structures）當介電物質具有光子能帶結構時就稱

為光能階系統（photonic band gap system簡稱 PBG

系統）或簡稱光子晶體（photonic crystal）光子晶

體是能對光作出反應的特殊晶格而這些晶格有著

規律的排列緊密的結構（圖二-右）當光照射在

光子晶體上時因為受到光子能帶結構的影響部

份波長受到破壞性的干涉無法傳遞產生不同的顏

色這一類影響光子運動的光學結構類似於半導

體晶體對電子的影響經由多次的研究與嘗試終

於製造出人工的光子晶體利用它類似半導體的行

為應用在許多新的半導體元件上如光纖光電

算機等將電子的世代向光子世代邁進

6-3 原理

Photonic Band Gap（PBG）

光能階是來自電子能階（electron band）不連續的

概念如同電子在有歸律的單晶之中X-ray 對其

繞射所產生的影響建構光子能階時也是運用相

同的道理在整齊的 regular crystal 中晶格對光的

影響

原理公式推導利用一維的 Maxwell equation

1

(r) H r

w2

c2 H r

將這一方程式想成是介電係數所產生的 boundary

condition限制電磁波中磁場的行為把這影響寫

成 operator

1

r

換成 bra-cat 的形式

Q H r E f H r 再轉成 Energy equation

E f H r Q H r H r H r

可由上束公式推出能量的不連續性

從電子能階的圖進一步由公式推導至光子晶體的

結果可以發現在 Oscilation potential 圖中有相同

的結果能量會出現不連續

將這一連串不連續的圖譜程現如下

在不連續處就是所謂的 photonic band

gap不同於 electron band gap 的是photonic bad gap

是一 forbidden gap 即光無法通過利用此一原理

無法通過的波長會以其互補色的顏色出現這就是

為什麼光子晶體會有這樣多變的色彩

6-4 製作

光子晶體的製作是非常困難的在科技如此

發達的現在仍然沒有一可量產的製作流程只能

說大自然的鬼斧神工實在令人讚嘆不過經過科

學家的努力人功晶體的製作也有大幅度的進步

除了原有應用在二維晶體的 top-down 蝕刻技術也

研究出三維方向中 button-up 的自組裝技術下圖是

幾種常見的製作方法

以三維晶體為例共有下列幾種的製造方法

過濾離心真空自然乾燥再經過高溫段燒使

晶體因高溫熔融後結構更加堅固

其中自然乾燥和過濾是最常見的作法

6-4-1 自然乾燥法

利用勻像的溶液粒子分佈均勻靜置 3~4 天慢慢

沉澱所產生

均勻混合粒子溶液

靜置等待沉澱

理想的排列狀況

SEM

6-4-2 過濾法

利用抽氣過濾的方法快速的將液體抽乾在

抽乾的同時隨著水流的向下粒子在底部排列

在排列整齊後經過段燒使得粒子排列更堅固

二維晶體主要使用光蝕刻法可以利用光罩的設

計達到光波導的效果讓晶體的排列更整齊晶格

更小

運用以上的製作方法將作出來的光子晶體依照

其物理性質應用在半導體之中

6-5 應用

蝕刻出來的二維光子晶體具有共振性對光

波有一定的選擇性也就是上述原理所說的 PBG

因此可利用將特定波長的光子濾出並轉向做為光

電儀器的訊號傳遞

若將多種不同粒徑大小的光子晶體合在一

起作成一多光子晶體晶格的積體材料加上晶體

的化學性質例如利用偏壓產生振動使晶格結構

改變讓選擇性改變在 detector 端會因為所接受

到的波長不同有不同的訊號產生就好像半導體電

子訊號的產生製造出機械語言 0101 的效果如

此一來便可應用在電子儀器上

但光子晶體通常是使用非導體的材料如二

氧化矽或聚合物的分子球化學性質穩定和物理性

質結構整齊所以大多不易受到酸鹼或外力的影

響在訊號的控制上有不小的困難為了解決這樣

的問題化學家便把半導體材料和有機化合物參雜

至其中

最常見的半導體材料參雜是用 CdSe製作技

術是利用光子晶體的粒子做為模板常用的是

Polystyrene sphere將具有 Cd2+Se2+的離溶液加

入其中以電度的方式將 CdSe 填滿粒子的空隙

在用有機溶液將粒子洗去剩下 CdSe 和之前粒子

所佔的空間如下圖所示

將溶液填入

電度移除粒子

光晶形成

SEM

這一類的光子晶體稱做逆光晶其原理與

光子晶體相同可用半導體偏壓的性質改變晶體

的結構控製訊號的傳遞

另一類的光子晶體是將有機化合物 coating在

粒子的表面通常是由小粒子一層一層 coating讓

粒子越長越大再做沉澱如下圖

利用有機合成的方法step by step合成出粒

徑大小一至的球狀粒子其中粒徑的大小一致性很

重要是能否形成光子晶體的關鍵再 coating 有

機物上去靜置乾燥待液體除去後就完成了

這一類光子晶體通常以其化性為控製因

素可以用酸鹼光電控制而較令人值得討論研

究的範圍是在有機物具 photo sensitive便可用光子

來做為控制的開關達到完全的光積體材料再來是

有機物的光子晶體可運用在生物上利用生物體中

的酵素或是特定的環境做醫療的應用也依靠

分子的作用力在溶液中形成光子晶體利用化學家

的知識將光子晶體運用在各方面

現在光子晶體應用在半導體上仍處於剛起

步的狀態市面上較常見的半導體應用於大型的光

電算機其運算速度都較傳統的電腦快耗能也較

少大幅度降低訊號延遲在其它方面的應用有光

纖傳輸優點在於低耗能無訊號延遲可傳輸高

功率雷射在大角度的訊號流失低透鏡以光子

晶體做成的透鏡具備的優點有平面易製作消散

波可同時聚集沒有像差沒有成像極限在微波領

域利用光子晶體的特性可濾掉一些電磁波做

為輻射的防護避免病變也可用在微波天線的基

底減少微波吸收發熱降低發射器的損耗由上

面眾多的應用可以發現光子晶體不斷的出現在我

們生活當中逐漸取代舊的半導體材料將電子的

世代轉入光子的世紀讓我們靜靜期待光子晶體在

未來的發展

七有機半導體 鄭名宏

7-1 前言

有機半導體(organic semiconductors)是指任何

擁有半導體性值的有機物質自從科學家在 1948

發現苯二甲藍素 (phthlo cyanine)的導電性後正式

開始了研究有機半導體逐步解明有機結晶的電子

狀態隨著研究發展現在有機半導體已廣泛應用

在各種領域之中以下將介紹有機半導體的簡史及

特色再介紹有機發光半導體(OLED)有機薄膜電

晶體(OTFT)高分子有機太陽能電池等三個有機半

導體上熱門且具有潛力的領域

7-2 發展歷史

1977 年日本白川英樹(Hideki Shirakawa)教授

發表的氧化與碘摻雜聚乙炔(polyacetylene)的高導

電性發現透過摻雜的方式可以讓聚乙炔的導電

性提高12個數量級成為導體而另一方面由美

國賓州大學物理系Alan J Heeger與化學系Alan G

MacDiarmid在1974年發表的有機電子元件使用古

典的電子傳導理論解釋這些有機物質的導電率他

們三人的研究開啟了近代十多年來有機導電分子

等的研究開發為了表揚他們在導電高分子的發現

與發展他們三人也在2000年共同獲得了諾貝爾獎

化學獎

雖然有機半導體確實可以克服很多無機半導

體的不足但由於有機半導體先天對於金屬不穩

定低載子移動率(carrier mobility)以及有機材料與

電子元件難以整合等問題讓研究上碰到瓶頸有

機半導體之主動電子元件(有機發光二極體有機太

陽能電池及有機薄膜電晶體)在研發上一直無法突

破這種情形直到1987年美國科達公司的鄧青雲博

士等人利用類似PN接面的雙層有機結構製作出第

一個低電壓高效率的有機發光二極體克服了上

述大部分有關有機半導體的缺點鄧博士所使用的

有機材料的個別分子單元包含了以共價鍵結合的

約30~40個原子以這樣的有機材料所構成的有機

發光二極體被稱作小分子OLED在1990年英國劍

橋大學的研究人員利用有機高分子材料 poly

para-(phenylene vinylene)(PPV)製作出類似的電激

發光的元件此種有機發光二極體被稱作高分子

LED (Polymer Light-Emitting Diode PLED)自此

不但觸發了研究學者對OLEDPLED之密集的研

究也引起業界對OLEDPLED平面顯示器的興趣

有機半導體當今被廣泛使用於光電元件中例

如有機發光二極體(organic light-emitting diodes

OLED)有機太陽能電池(organic solar cells)有機

薄膜電晶體（Organic thin film transistorsOTFT）

的電化學電晶體(electrochemical transistors)與生物

探測的應用等

7-3 有機半導體的特色

有機半導體的優勢有可人工調節其物性有

無機化合物金屬所無的新物性亦即容易混合分

散於高分子化合物中又因可作成高分子狀態可

具備塑膠獨特的加工性成形性大量生產性經

濟性改變種類添加物等而可廣範圍改變特性

但其缺點是載子(擔體)的移動度小於無機半導

體因而不宜利用移動度有關的電氣物性實際

上最近實用化的塑膠熱阻體有機光半導體都是

高分子半導體利用其本身的電阻變化

7-4 有機發光半導體

有機發光二極體（ Organic Light-Emitting

Diode簡稱OLED）與 TFT-LCD「薄膜電晶體液

晶顯示器」（Thin Film Transistor Liquid Crystal

Display）是不同類型的產品部分國外又稱 OLED

為有機電激發光顯示（Organic Electroluminesence

Display OELD）

7-4-1 OLED 的結構與原理

OLED 的基本結構是由一薄而透明具半導體特

性之銦錫氧化物(ITO)與電力之正極相連再加上

另一個金屬陰極包成如三明治的結構整個 結

構層中包括了電洞傳輸層(HTL)發光層(EL)與

電子傳輸層(ETL)當加入一外加偏壓使電子電

洞分別經過電洞傳輸層（Hole Transport Layer）與

電子傳輸層（Electron Transport Layer）後進入一

具有發光特性的有機物質在其內發生再結合時

形成一激發光子（exciton）後再將能量釋放出

來而回到基態（ground state）而這些釋放出來的

能量當中通常由於發光材料的選擇及電子自旋的

特性（spin state characteristics）只有 25（單重態

到基態singlet to ground state）的能量可以用來當

作OLED的發光其餘的 75（三重態到基態triplet

to ground state）是以磷光或熱的形式回歸到基態

由於所選擇的發光材料能階（band gap）的不同

可使這 25的能量以不同顏色的光的形式釋放出

來而形成 OLED 的發光現象

7-4-2 OLED 特點

高分子 OLED 元件的研究與發展便迅速成

長有機發光元件的相關領域得以快速進展得力

於它的元件特性及製作方式十分適合平面顯示器

的應用其特點如下

1不需晶態基板顯示器大小不受限制

2低溫製程可製作在任何基板上

3快速反應時間（ltμs）

4RGB 元件皆可製作

5低操作電壓

6高流明效率

7高亮度高對比

8自發光廣視角

和其他自發光顯示器技術如 CRTTFEL

PDP 及 FED 等相比較OLED 的操作電壓僅需數

伏特至十幾伏特明顯地遠低於其他技術（gt100

第二大 IC 設計國僅次於美國台灣擁有聯發科

聯詠原相義隆電群聯等重量性 IC 設計業者

其中聯發科更是位居全球第七大 IC 設計廠商產

品線多元包括消費電子及通訊產品且除 DVD IC

穩居全球第一大之外手機 IC 更在中國市場上獲

得成功市場佔有率超過 40且聯發科除了在中

國市場繳出一張亮眼的成績單外近年來在電視晶

片方面也陸續打入全球品牌大廠且期望擠下泰鼎

（Trident）成為北美最大電視 IC 供應商其晶片

供貨對象遍及外商三星電子LG 電子飛利浦

等國際級大廠群聯則是排名全球前三大 Flash

Controller IC 廠商原相公司則是任天堂 Wii 風靡

全球的關鍵功臣其 Image Sensor 及搖桿 IC使得

家用遊戲機Ｗii 能夠完整發揮互動功能並使Ｗii

成為近兩年來全球最熱門的商品之一

IC 製造業方面多分佈於桃園新竹台中及台

南而一線封測廠則聚集於中部及南部位居半導

體產業中游的 IC 製造台灣表現優異晶圓代工

（Foundry）位居全球龍頭其中台積電一家就佔

了全球超過 5 成的晶圓代工市場其技術實力已達

65 奈米目前往更高階的 45 奈米及 32 奈米前進

除了台積電外台灣更還有全球第二大晶圓代工廠

聯電以及力晶茂德南亞科等 DRAM 廠商

IC 封測方面台灣亦為全球第一大國日月光

及矽品分別排名全球第一大及第三大封裝實力涵

蓋 BGAFlip Chip 等並持續朝晶圓級封裝邁進

其主要客戶群包括 ATI高通飛思卡爾等國際級

大廠

下圖為台灣半導體產業地理分佈

從此圖可以明顯看出台灣的半導體產業大部

分都分布在新竹台北地區尤其是新竹約佔了三分

之二

台灣半導體產業發展現況

5-4 半導體供應鏈

分析半導體產業潛在外商由於台灣半導體產

業鏈完整技術實力雄厚故擁有許多重量級的國

際客戶且與國際大廠合作密切上游 IC 製造方

面全球五大 DRAM 廠商中韓國三星電子已

在台設立 採購及銷售據點韓國 Hynix 與台灣茂

德日本 Elpidia 與台灣力晶 Qimonda 與台灣

南亞科華亞科及華邦等分別均已進行技術授權

研發及產能分配等合作2008 年 4 月南亞科與

美國 Micron(MU-US 美光) 跨國合作共同簽

署成立合資公司有鑑於此建議台灣半導體 產

業供應鏈缺口要像面板一樣走向跨國合作才能改

善目前 DRAM 價 格持續下滑的狀況中游晶圓

代工方面以全球第一大的晶圓代工廠商台積電為

例全球前 20 大半導體公司近一半是台積電的客

戶其中包括全球最大的半導體外商 Intel而全球

前 10 大 IC 設計公司就有 8 家下單在台積電生

產顯見台積電在全球半導體產業供應鏈具有崇高

地位即便是例外的兩家 IC 設計潛在外商 Xilinx

及 Sandisk也都是台灣 IC 製造業者 的客戶再

次證明台灣半導體業者客戶層面涵蓋廣泛

5-5 晶圓材料技術

晶 圓 (Wafer) 是 製 造 積 體 電 路 (Integrated

Circuit IC)的基本材料通常是由矽(Silicon Si)或

砷 化 鎵 (Gallium Arsenide GaAs) 等 半 導 體

(Semiconductor)所組成目前積體電路產業以矽晶

圓為主矽晶圓是目前製作積體電路的基底材料

(Substrate)矽晶圓本身雖然導電性不好但是只要

適當地加入一些離子就可以控制它的導電性在

晶圓表面製造出不同種類的電子元件如電晶體和

二極體IC 設計工程師必須依據不同功能利用這些

電子元件設計電路電路設計完成後所設計的電

路元件圖樣透過積體電路製造技術經過一系列

繁複的化學物理和光學程序製作到矽晶圓上完

成的矽晶圓上產生出數以千百計的晶粒(die)這

些晶粒必須逐一的進行測試切割封裝等過程

才能成為一顆顆具有各種功能的積體電路產品積

體電路的製程是十分精密複雜的其關鍵技術之

一即是在晶圓上製作細小寬度的線條圖樣愈細

的線條表示可以製作愈小尺寸的元件也就是相同

面積下可以有愈多的元件愈多的元件則可以得到

愈多功能的電路晶圓的尺寸可以決定裁切出來

的晶片有多少數量晶圓直徑愈大每片晶圓所能生

產的 IC 顆粒數愈多所需要的製造技術越好目

前最新的中央處理器所使用的是點一的技術所

謂點一的技術就是能控制積體電路線路的大小

（線寬與線距）在 01 微米的能力微米是一種長

度的單位1 微米是一百萬分之一公尺﹝10minus6

m﹞能將線路製作得越細小電子產品的體積也

就可以越小產品的品質與其市場上的單價也就越

高同時在單位矽晶圓的面積上所能生產的積

體電路晶片也就越多晶片的平均成本也就越低

雖然能處理晶圓大小的技術指標與能將線路控制

到多小的技術指標並不相同但是因為積體電路技

術往前推演的時程上的巧合這二種技術指標就常

被一般人互相混用如人們談到八吋晶圓廠時指

的就是點一三（013 微米）點一五（015 微米）

與點一八（018 微米）的製程技術目前談到十二

吋晶圓廠時所指的則是點一（01 微米）的製程

技術因此所謂的八吋十二吋廠間的差異最

重要的不只是能處理的晶圓大小不同而已其所能

製作積體電路的線寬與線距大小才是技術等級重

要的差距所在因為這一部分才真正與產品的層級

相關越小越精密的製程能力代表著能生產的積

體電路產品等級越高因此雖然同樣是八吋晶圓

廠仍會有點一三與點一八製程上的差異也才會

有如新聞中所提所謂高階與低階技術的不同

5-6 記憶體產品

5-6-1 DRAM

我國記憶體產業是以 DRAM 產品為主國內

DRAM 廠商在 12 吋廠產能快速增加以及製程持

續進行微縮使得 DRAM 產出呈現增長的態勢

不僅使我國成為全球 DRAM 單位成本最低的國

家我國 DRAM 產值之全球產品市占率也已超過

20居全球第 2 位（僅次於南韓）進而促使我

國在全球記憶體產業占有關鍵地位未來我國記憶

體廠商除了持續推升我國在全球 DRAM 產業之地

位外為了掌握 NAND Flash 在終端產品市場的龐

大潛在商機廠商已積極投入 NAND Flash 之佈局

5-6-2 類比 IC 產品

類比 IC 是作為橋接物理訊號如光聲音

溫度等自然現象的連續性訊號與電子裝置的重要

媒介其訊號是以連續的形式來傳遞在大自然裏

所表現的各種物理特性絕大多數都是類比屬性

若沒有類比 IC 來橋接物理訊息與電子產品許多

的數位電子產品將會無法完全工作

5-6-3 邏輯 IC

邏輯 IC 在 IC 家族中算是較早出現的產品

尤其標準邏輯 IC(Standard Logic)應是 IC 家族中年

紀最大的其大半只提供基本邏輯運算例如

ANDORNAND 等再由使用者自行組合成本

身電子產品所需之電路特性此一領域最早由

Bipolar 製程出發接著 MOS 產品跟著出現其後

結合兩者優點的 BiCMOS 製程亦廣受歡迎一陣子

5-6-4 微元件 IC

微元件 IC 包括微處理器(Microprocessor

MPU)微控制器(MicrocontrollerMCU)微週邊

(MicroperipheralMPR)和可程式的數位訊號處理器

(Digital Signal ProcessorDSP)四大族群其中 MPU

又可分為複雜指令集 (Complex Instruction Set

Computing CISC) 精 簡 指 令 集 (Reduced

Instruction Set ComputingRISC) 二大類而 MPR

則由較多產品組合而成的集團包括配合各式 MPU

的 系 統 核 心 邏 輯 晶 片 組 (System core Logic

Chipsets)各式視訊控制晶片組 (Graphics and

Imaging Controllers) 通 訊 控 制 晶 片 組

(Communications Controllers)儲存控制晶片組

(Mass Storage Controllers)和其他輸出入控制晶片

組如鍵盤控制器語音輸出入控制器筆式輸

入控制器等微元件 IC 大多使用於資訊通訊等

數位式訊號處理的部份幾乎全是 MOS 製程的產

品

5-7 全球半導體產業前景與碰到的問題

5-7-1 全球半導體產業的分工合作

因為科技的發達IC 產品功能越來越複雜相

對的製程也越來越精密因此各種設備的資金投入

變的更大許多國際整合元件(IDM)製造大廠都委

外晶圓製造據趨勢分析2009 年將有一半委外製

造這個巨變使半導體產業從過去的整合元件模式

變為朝 IC 設計(Fabless)晶圓廠輕簡化(Fab-lite)的

專業分工前進而這種專業分工模式對於半導體產

業分工細緻的台灣而言是相當吃香的因此預期

台灣將在全球的半導體供應鍊扮演著關鍵的角色

5-7-2 全球半導體產業的衰退

2007 年半導體產業在 Vista 需求不如預期且

受庫存嚴重等因素的影響下年成長率只剩下

287原本全球對於 2008 年的半導體市場是保持

樂觀的態度的但受到發端於華爾街股市的金融海

嘯全球實體經濟受到的侵蝕是迅速而深刻的因

此2008 年第三季度末第四季度初全球半導體

產業便已顯露出增長乏力甚至衰退的跡象

而其中最先受到影響的是數字信號處理（DSP）

芯片據市場調查機構 ForwardConcepts 數據指出

2008 年第四季度 DSP 芯片出貨量要較 2007 年同期

減少 5而在第三季度時DSP 芯片出貨量還較

上一季度增長了 8特別是僅僅 9 月份一個月就

較 8 月份增長了 40

ForwardConcepts 總裁 WillStrauss 表示DSP

芯片出貨量減少的原因是因為無線應用領域的使

用量與 2007 年同期持平但多用途和汽車電子領

域的使用量則較 2007 年同期大幅減少了 10

而此時半導體芯片業者的庫存也在急速升

高市場調查機構 iSuppli 數據指出2008 年第四

季度消費性電子用芯片的庫存量可能較上一季度

高出 3 倍左右iSuppli 表示芯片庫存過高將會

影響半導體產品的價格營收和獲利率並將妨礙

半導體產業從衰退走向復甦即使日後需求反彈

所達到的效果也將非常有限而在 2008 年第四季

度末iSuppli 指出全球囤積的芯片價值可能已超過

104 億美元

各家調研機構對於 2009 年全球半導體產業的

銷售收入也不看好SIA 預計2009 年全球半導體

芯片銷售收入將較 2008 年下降 56達到 2467

億美元WSTS 預計2009 年全球半導體銷售收入

將萎縮 22至 2560 億美元Gartner 預計2009

年全球半導體芯片銷售收入增長將僅有 1達到

2822 億美元Gartner 還特別指出若情況進一步

惡化明年半導體芯片銷售收入將有可能下滑

103iSuppli 的數字還是最為悲觀的它預計 2009

年全球半導體芯片銷售收入僅為 2192 億美元較

2008 年大幅下降 163

除了銷售收入的減少方面另一嚴重的問題是

投資人投資慾望的減退這從全球半導體聯盟(GSA)

發表的 2008 年第三季度資金募款報告便可窺見端

倪根據報告內容全球半導體業者在去年第三季

度共募得了 2316 億美元的風險資金較第二季度

大幅縮減 44也較去年同期減少 36顯見半導

體景氣已步入緊縮GSA 指出全球 21 家 Fabless

公司與 IDM 業者第三季度的資金募集情況證實了

風險投資者已對芯片業者的投資興趣逐漸降低

同樣全球半導體設備的支出也在減少連帶

導致半導體產能增加下滑據 Gartner 的最新報告

指出全球半導體設備支出的預期將再度下調不

僅 2008 年半導體設備支出會減少 306達到 311

億美元而且在 2009 年還會進一步減少 317下

滑至 212 億美元Gartner 半導體製造部副總裁

KlausRinnen 表示全球經濟衰退對不景氣的半導

體和設備產業產生了巨大的影響Rinnen 指出目

前所有領域的零組件製造商包括 NANDFlash 和

DRAM 產業都開始採取減產措施並且關閉成本效

率較低的工廠而在晶圓廠部分也開始減緩產

能降低資本支出並且積極研發新技術

設備支出統計預估圖

Gartner 預計2008 年晶圓廠設備支出會減少

3092009 年則將減少 331而在光蝕刻設備

上2008 年支出會減少 22至 2009 年時還將

進一步減少 38主要原因是內存製造商減緩採用

沉浸式技術的時程並延長舊設備的使用期限此

外報告還指出 2009 年全球封裝設備支出也將下

滑 30左右自動測試設備市場也同樣會衰退近

20銷售額甚至會下跌至 20 億美元以下

在晶圓產能方面其增長率也創下自 2002 年

以來的新低據國際半導體設備材料產業協會

(SEMI)公佈的最新《全球晶圓廠預測》報告指出

全球晶圓廠產能在 2008 年僅增長了 5(每月約共

540 萬片)預計 2009 年也僅有 4~5(每月約 610

萬片)的增長在 2003~2007 年增長程度都是兩位

數面對全球性的經濟衰退過度供給以及內存

平均售價跌落許多內存公司選擇關閉 8 英吋工廠

因應

另外一個問題是消費者買氣低迷SIA 總裁

GeorgeScalise 表示由於半導體產業的銷售收入增

長與消費者購買電子產品有密不可分的關係因

此幾乎全球半導體銷售收入有一半是來自於消費

者的購買因此當景氣衰退時對半導體業者將

產生直接衝擊

SIA 引述德意志銀行的一篇報告表示2009 年

全球 PC 銷售將會下降 5手機則預計會下降

64而這兩個市場便佔據全球半導體消費的 60

左右因此2009 年半導體業的衰退將在所難免

5-7-3 全球半導體產業的前景

台積電董事長張忠謀昨在二月二十三日指

出全球半導體業已經觸底但是未來將呈現緩慢

復甦的「L 型反轉」顯示產業景氣仍不是太樂觀

而麥格理全球半導體團隊也同時下修了今年

度半導體營收預測從原本的1951億美元降至1875

億美元年減達到 246

麥格理指出儘管庫存可望於第 2 季就調整至

健康水位並帶動庫存回補急單及營收成長動能

但整體而言美國的終端需求仍然非常疲弱因此

到今年下半年營收都還會有再下修的風險

而全球晶片產能過剩的問題仍將持續至 2009

年全年

麥格理指出目前許多大廠都採取刪減資本支

出的策略以維持足夠的現金流量和美化資產負債

表但卻限制了整體產業的發展

半導體相關族群的股價自去年 12 月以來已經

出現了幾波反彈麥格理指出回顧 2001 年科技

泡沫化時半導體股價也曾出現毫無基本面支持的

「無基之彈」提前反映了市場對於產業景氣回春

的過度樂觀但實際上疲弱的終求終將嚴重限制

產業的成長動能預估 2010 年以前股價還是很

難維持穩定向上趨勢

5-7-4 全球不景氣與半導體

根據各經濟研究機構下修未來景氣來看2007

年全球半導體成長率為 32達 2556 億美元而

這與全球國內生長毛額(GDP)成長率有密切的連動

關係IMF 下修 2009 年全球 GDP 成長率為 22

全球半導體產值呈現-61成長率經濟風暴的擴

散以及電子產品需求下滑造成市場需求疲軟也

間接影響了半導體產業足見半導體寒冬的降臨

而唯一在半導體產業較有成長的國家則為新興國

家主因在於低價消費性電子產品的需求較高

全球半導體產業成長率與 GDP 成長率關係圖

5-8 台灣半導體產業前景與碰到的問題

5-8-1 台灣半導體產業的前景

近年來台灣半導體設備廠商希望擺脫代理

代工傳統但僅以發展中低階產品為主未能建立

國際品牌地位較為成功廠商屬漢民微測及漢辰科

技等切入缺陷量測離子佈值等產品並推出自

有品牌已順利銷售到台積電聯電茂德等業者

也外銷到北美新加坡等地但金額及數量仍未具

備國際實力

半導體主要關鍵設備如光阻塗佈設備微影設

備等都仰賴進口目前上游設備外商在台雖設有公

司但大都屬於技術服務用途初步方式應與上游

設備廠商合作在台共同投資以研發關鍵零組件並

積極引進關鍵技術如氣體控制系統晶圓傳輸機

構製程反應真空系統技術等

在半導體產業競爭激烈及投資設備昂貴等因

素下台灣半導體業者均面臨成本競爭的壓力國

外設備業者若能來台投資就近支援提供此產業缺

口之服務將可共創互利共榮的產業合作關係

展望 2009 年在全球經濟景氣短期仍難見好

轉的情況下全球 IC 產業都將呈現較 2008 年更加

衰退之情況然而全球 IC 產業景氣預估將在 2009

年下半年落底並且在 2010 年呈現逐漸復甦之情

況面對此景氣的寒冬預估 2009 年台灣 IC 產業

產值僅達 9845 億元較 2008 年衰退 269其中

設計業產值為 3030 億新台幣較 2008 年衰退

192製造業為 4350 億新台幣較 2008 年衰退

335封裝業為 1680 億新台幣較 2008 年衰退

242測試業為 785 億新台幣較 2008 年衰退

187

5-8-2 台灣半導體產業受到經濟風暴的影響

2008 年下半年金融巨擘陸續倒閉危及全球經

濟而半導體產業也受到極大衝擊2008 年下半年

開始由於經濟局勢反映了需求面的降溫業者紛

紛下修 2008 年獲利以及營收展望而台灣半導體

產業在此波景氣衰退下的景況與因應之道更加引

發關注

台灣半導體產業供應鏈之缺口在台灣半導體

相關設備零組件等的自製率甚低且缺乏取得設

備規格需求的管道設備開發和製程技術掌握度

低經營規模較海外廠商小全面品質管理有差距

展望 2009 年在全球經濟景氣短期仍難見好

轉的情況下全球 IC 產業都將呈現較 2008 年更加

衰退之情況然而全球 IC 產業景氣預估將在 2009

年下半年落底並且在 2010 年呈現逐漸復甦之情

況面對此景氣的寒冬預估 2009 年台灣 IC 產業

產值僅達 9845 億元較 2008 年衰退 269其中

設計業產值為 3030 億新台幣較 2008 年衰退

192製造業為 4350 億新台幣較 2008 年衰退

335封裝業為 1680 億新台幣較 2008 年衰退

242測試業為 785 億新台幣較 2008 年衰退

187

2008 年台灣 IC 產業產值統計與預估

5-9 最新半導體產業事件

5-9-1 DRAM 產業景氣冰風暴下游封測廠也受凍

DRAM 廠如力晶ElpidaHynix茂德與華亞

等紛紛宣佈減產減產達 13再次反映出 DRAM

市場環境的惡劣在 DRAM 封測廠的產能利用率

方面隨著 DRAM 市場的不景氣滿載的情況已

不復見以封裝與測試來分析今年以來平均封裝

產能已經下滑了約 30左右測試產能更下滑了約

40此外 DRAM 廠在九月陸續減產之後預估整

體顆粒產出量縮會在明年一月陸續浮現也將嚴重

擠壓到封測廠的封裝與測試產能的利用率

DRAM 產業為支撐台灣半導體兆元產業半壁

江山的主要推手也是連帶帶動台灣下游封測廠商

業務的重要功臣但 DRAM 具標準型產品特型

會隨著景氣有大起大落的現象也嚴重影響以

DRAM 封測業務為主的部份後段廠商面對美國次

貸風暴的陰影下業者當務之急為盡量爭取非

DRAM 產品如邏輯Flash 等來填補產能並保持現

金水位但長遠來看下游封測廠仍然必須審慎思

考產品佈局以開拓邏輯產品作為分散產業風險的

策略為佳

5-9-2 奇夢達重整 全球裁員三千人

德國 DRAM 大廠 Qimonda 宣佈全球重整計

劃除了將所持有的 356華亞科技持股售予美國

DRAM廠Micron也將全球裁員 3000名員工2009

年 1 月時關閉位於美國 Richmond 的 8 吋廠以及

在 2009年 3月前關閉位於德國Dresden的後段封測

及模組廠另外Qimonda 財務長 Michael Majerus

也宣佈辭職一直被市場分析師認為有資金不足風

險的 Qimonda昨日出售手中持有的華亞科技股權

予美光拿到了 4 億美元的資金正好可再撐一陣

子而 Qimonda 也宣佈全球重整計劃希望完成後

每年省下 45 億歐元的費用成本未來奇夢達將

全更專注在高毛利率的繪圖卡用 GDDR遊戲機及

行動通訊產品使用的利基型 DRAM 等市場降低

集中在標準型 DRAM 市場的風險

從 Qimonda 全球裁員人數高達三千人以及賣

出 Inotera 股權給美國 Micron 這兩個事件來看幾

乎可確定 Qimonda 短期內將淡出標準型 DRAM 市

場並針對公司的產品線及未來定位做進一步的安

排Qimonda 一度位居全球第二大的 DRAM 公司

最後卻因技術發展方向的失誤以及 12 吋晶圓廠

先進製程產能的不足而敗下陣來對台灣的 DRAM

廠商而言是很重要的一個參考案例展望未來

Qimonda 在資金技術12 吋晶圓廠產能等等相

較於美日韓等公司的差距已逐漸拉大在可預

見的未來Qimonda 要重回標準型 DRAM 市場競

爭核心已不可能全球 DRAM 品牌市場將由美

日韓所主導台灣則扮演 DRAM 的重要製造角

色

5-9-3 AMD 組建新合資企業轉移 12 億美元債務

AMD 宣佈計畫分離其製造業務並與阿聯酋阿

布 達 比政 府的 先 進技 術投 資 公司 (Advanced

Technology Investment CoATIC)攜手成立一家

新的合資企業AMD 在一份聲明中表示雙方聯

手後 AMD 將擁有新合資公司 444的股份ATIC

則持有剩餘的 556雙方將在合資企業的董事會

中獲得相同席位

AMD 將為新合資企業提供先進的生產設備

包括位於德國德勒斯頓的兩座晶片製造工廠以及

相關資產和知識產權ATIC 則將向新合資企業注

入 21 億美元其中 14 億美元為直接投資剩餘資

金將用於收購合資企業股份ATIC 還將在未來 5

年內對合資企業投資 36 億至 60 億美元

AMD 在這過程中可說是佔了許多的好處除了

確保將製造業務分割後短期內仍能以較少的代價

獲得新合資公司的產能支援外也能拋開 12 億美

元的債務以及新的合資公司所要投資的產能更新

或擴充的資金壓力而將更多的資金及資源投入在

下一代 IC 產品的開發某種程度上AMD 的作法

很類似售出資產後回租的方式透過這種安排

AMD 得以抬高公司技術研發經費佔營收規模的比

重而能夠以較小的公司規模與全球 CPU 巨擘 Intel

持續在主流的 CPU 市場上展開競爭

六光子晶體在半導體的原理及應用 李韋廷

6-1 序

1948 年美國貝爾實驗室的三位傑出科學

家W SchokleyJ BardeenWH Brattain 發明了

雙極電晶體（Bipolar transistor）世界開始邁入半

導體的世紀在這電子和資訊工業發達的時代出了

許多優秀的科學家而最為人知的應該是 Gordon

Earle Moore（Intel 的創始人之一）Moorersquos Law

引起了熱烈討論半導體的發展是否如他所預言一

般

時間證明了一切現在的半導體蝕刻從

95nm65nm45nm 到 32nmTop-down 的技術逐

漸遇到瓶頸科學家們不斷的研究新的技術希望

能做的更小更快耗能更少的半導體而光晶正

好滿足了此需求

6-2 光子晶體介紹

光子晶體在 1987 年才由科學家正式的給予

此一名稱但在自然中早存在這種性質的物質盛

產於澳洲的寶石蛋白石（圖一）即為一例

圖一

在生物界中也不乏光子晶體的蹤跡以花叢

中翩翩起舞的蝴蝶（圖二-左）為例其色彩斑斕的

翅膀也是拜光子晶體所賜

圖二

而這些色彩繽紛的外觀和色彩與色素無關

倒底光子晶體是如何產生這些斑斕的色彩讓我們

來一窺就盡

晶體（如半導體）當中由於電子受到晶格

的周期性位勢（periodic potential）散色部份波段

會因破壞性干涉形成能階（energy gap）導製電子

的色散關係（dispersion relation）程帶狀分佈這

是眾所皆知的電子能帶結構（ electron band

structure）類似現象也存在於光子系統中在介電

物質其係數呈週期性排列的三維介電材料中電磁

波經介電函數散射後某些波段的電磁波強度會因

破壞性干涉而呈指數衰減光便無法在系統內傳

遞相當於在頻譜上形成能階於是色散關係也具

有帶狀結構此即所謂光子能帶結構（photonic band

structures）當介電物質具有光子能帶結構時就稱

為光能階系統（photonic band gap system簡稱 PBG

系統）或簡稱光子晶體（photonic crystal）光子晶

體是能對光作出反應的特殊晶格而這些晶格有著

規律的排列緊密的結構（圖二-右）當光照射在

光子晶體上時因為受到光子能帶結構的影響部

份波長受到破壞性的干涉無法傳遞產生不同的顏

色這一類影響光子運動的光學結構類似於半導

體晶體對電子的影響經由多次的研究與嘗試終

於製造出人工的光子晶體利用它類似半導體的行

為應用在許多新的半導體元件上如光纖光電

算機等將電子的世代向光子世代邁進

6-3 原理

Photonic Band Gap（PBG）

光能階是來自電子能階（electron band）不連續的

概念如同電子在有歸律的單晶之中X-ray 對其

繞射所產生的影響建構光子能階時也是運用相

同的道理在整齊的 regular crystal 中晶格對光的

影響

原理公式推導利用一維的 Maxwell equation

1

(r) H r

w2

c2 H r

將這一方程式想成是介電係數所產生的 boundary

condition限制電磁波中磁場的行為把這影響寫

成 operator

1

r

換成 bra-cat 的形式

Q H r E f H r 再轉成 Energy equation

E f H r Q H r H r H r

可由上束公式推出能量的不連續性

從電子能階的圖進一步由公式推導至光子晶體的

結果可以發現在 Oscilation potential 圖中有相同

的結果能量會出現不連續

將這一連串不連續的圖譜程現如下

在不連續處就是所謂的 photonic band

gap不同於 electron band gap 的是photonic bad gap

是一 forbidden gap 即光無法通過利用此一原理

無法通過的波長會以其互補色的顏色出現這就是

為什麼光子晶體會有這樣多變的色彩

6-4 製作

光子晶體的製作是非常困難的在科技如此

發達的現在仍然沒有一可量產的製作流程只能

說大自然的鬼斧神工實在令人讚嘆不過經過科

學家的努力人功晶體的製作也有大幅度的進步

除了原有應用在二維晶體的 top-down 蝕刻技術也

研究出三維方向中 button-up 的自組裝技術下圖是

幾種常見的製作方法

以三維晶體為例共有下列幾種的製造方法

過濾離心真空自然乾燥再經過高溫段燒使

晶體因高溫熔融後結構更加堅固

其中自然乾燥和過濾是最常見的作法

6-4-1 自然乾燥法

利用勻像的溶液粒子分佈均勻靜置 3~4 天慢慢

沉澱所產生

均勻混合粒子溶液

靜置等待沉澱

理想的排列狀況

SEM

6-4-2 過濾法

利用抽氣過濾的方法快速的將液體抽乾在

抽乾的同時隨著水流的向下粒子在底部排列

在排列整齊後經過段燒使得粒子排列更堅固

二維晶體主要使用光蝕刻法可以利用光罩的設

計達到光波導的效果讓晶體的排列更整齊晶格

更小

運用以上的製作方法將作出來的光子晶體依照

其物理性質應用在半導體之中

6-5 應用

蝕刻出來的二維光子晶體具有共振性對光

波有一定的選擇性也就是上述原理所說的 PBG

因此可利用將特定波長的光子濾出並轉向做為光

電儀器的訊號傳遞

若將多種不同粒徑大小的光子晶體合在一

起作成一多光子晶體晶格的積體材料加上晶體

的化學性質例如利用偏壓產生振動使晶格結構

改變讓選擇性改變在 detector 端會因為所接受

到的波長不同有不同的訊號產生就好像半導體電

子訊號的產生製造出機械語言 0101 的效果如

此一來便可應用在電子儀器上

但光子晶體通常是使用非導體的材料如二

氧化矽或聚合物的分子球化學性質穩定和物理性

質結構整齊所以大多不易受到酸鹼或外力的影

響在訊號的控制上有不小的困難為了解決這樣

的問題化學家便把半導體材料和有機化合物參雜

至其中

最常見的半導體材料參雜是用 CdSe製作技

術是利用光子晶體的粒子做為模板常用的是

Polystyrene sphere將具有 Cd2+Se2+的離溶液加

入其中以電度的方式將 CdSe 填滿粒子的空隙

在用有機溶液將粒子洗去剩下 CdSe 和之前粒子

所佔的空間如下圖所示

將溶液填入

電度移除粒子

光晶形成

SEM

這一類的光子晶體稱做逆光晶其原理與

光子晶體相同可用半導體偏壓的性質改變晶體

的結構控製訊號的傳遞

另一類的光子晶體是將有機化合物 coating在

粒子的表面通常是由小粒子一層一層 coating讓

粒子越長越大再做沉澱如下圖

利用有機合成的方法step by step合成出粒

徑大小一至的球狀粒子其中粒徑的大小一致性很

重要是能否形成光子晶體的關鍵再 coating 有

機物上去靜置乾燥待液體除去後就完成了

這一類光子晶體通常以其化性為控製因

素可以用酸鹼光電控制而較令人值得討論研

究的範圍是在有機物具 photo sensitive便可用光子

來做為控制的開關達到完全的光積體材料再來是

有機物的光子晶體可運用在生物上利用生物體中

的酵素或是特定的環境做醫療的應用也依靠

分子的作用力在溶液中形成光子晶體利用化學家

的知識將光子晶體運用在各方面

現在光子晶體應用在半導體上仍處於剛起

步的狀態市面上較常見的半導體應用於大型的光

電算機其運算速度都較傳統的電腦快耗能也較

少大幅度降低訊號延遲在其它方面的應用有光

纖傳輸優點在於低耗能無訊號延遲可傳輸高

功率雷射在大角度的訊號流失低透鏡以光子

晶體做成的透鏡具備的優點有平面易製作消散

波可同時聚集沒有像差沒有成像極限在微波領

域利用光子晶體的特性可濾掉一些電磁波做

為輻射的防護避免病變也可用在微波天線的基

底減少微波吸收發熱降低發射器的損耗由上

面眾多的應用可以發現光子晶體不斷的出現在我

們生活當中逐漸取代舊的半導體材料將電子的

世代轉入光子的世紀讓我們靜靜期待光子晶體在

未來的發展

七有機半導體 鄭名宏

7-1 前言

有機半導體(organic semiconductors)是指任何

擁有半導體性值的有機物質自從科學家在 1948

發現苯二甲藍素 (phthlo cyanine)的導電性後正式

開始了研究有機半導體逐步解明有機結晶的電子

狀態隨著研究發展現在有機半導體已廣泛應用

在各種領域之中以下將介紹有機半導體的簡史及

特色再介紹有機發光半導體(OLED)有機薄膜電

晶體(OTFT)高分子有機太陽能電池等三個有機半

導體上熱門且具有潛力的領域

7-2 發展歷史

1977 年日本白川英樹(Hideki Shirakawa)教授

發表的氧化與碘摻雜聚乙炔(polyacetylene)的高導

電性發現透過摻雜的方式可以讓聚乙炔的導電

性提高12個數量級成為導體而另一方面由美

國賓州大學物理系Alan J Heeger與化學系Alan G

MacDiarmid在1974年發表的有機電子元件使用古

典的電子傳導理論解釋這些有機物質的導電率他

們三人的研究開啟了近代十多年來有機導電分子

等的研究開發為了表揚他們在導電高分子的發現

與發展他們三人也在2000年共同獲得了諾貝爾獎

化學獎

雖然有機半導體確實可以克服很多無機半導

體的不足但由於有機半導體先天對於金屬不穩

定低載子移動率(carrier mobility)以及有機材料與

電子元件難以整合等問題讓研究上碰到瓶頸有

機半導體之主動電子元件(有機發光二極體有機太

陽能電池及有機薄膜電晶體)在研發上一直無法突

破這種情形直到1987年美國科達公司的鄧青雲博

士等人利用類似PN接面的雙層有機結構製作出第

一個低電壓高效率的有機發光二極體克服了上

述大部分有關有機半導體的缺點鄧博士所使用的

有機材料的個別分子單元包含了以共價鍵結合的

約30~40個原子以這樣的有機材料所構成的有機

發光二極體被稱作小分子OLED在1990年英國劍

橋大學的研究人員利用有機高分子材料 poly

para-(phenylene vinylene)(PPV)製作出類似的電激

發光的元件此種有機發光二極體被稱作高分子

LED (Polymer Light-Emitting Diode PLED)自此

不但觸發了研究學者對OLEDPLED之密集的研

究也引起業界對OLEDPLED平面顯示器的興趣

有機半導體當今被廣泛使用於光電元件中例

如有機發光二極體(organic light-emitting diodes

OLED)有機太陽能電池(organic solar cells)有機

薄膜電晶體（Organic thin film transistorsOTFT）

的電化學電晶體(electrochemical transistors)與生物

探測的應用等

7-3 有機半導體的特色

有機半導體的優勢有可人工調節其物性有

無機化合物金屬所無的新物性亦即容易混合分

散於高分子化合物中又因可作成高分子狀態可

具備塑膠獨特的加工性成形性大量生產性經

濟性改變種類添加物等而可廣範圍改變特性

但其缺點是載子(擔體)的移動度小於無機半導

體因而不宜利用移動度有關的電氣物性實際

上最近實用化的塑膠熱阻體有機光半導體都是

高分子半導體利用其本身的電阻變化

7-4 有機發光半導體

有機發光二極體（ Organic Light-Emitting

Diode簡稱OLED）與 TFT-LCD「薄膜電晶體液

晶顯示器」（Thin Film Transistor Liquid Crystal

Display）是不同類型的產品部分國外又稱 OLED

為有機電激發光顯示（Organic Electroluminesence

Display OELD）

7-4-1 OLED 的結構與原理

OLED 的基本結構是由一薄而透明具半導體特

性之銦錫氧化物(ITO)與電力之正極相連再加上

另一個金屬陰極包成如三明治的結構整個 結

構層中包括了電洞傳輸層(HTL)發光層(EL)與

電子傳輸層(ETL)當加入一外加偏壓使電子電

洞分別經過電洞傳輸層（Hole Transport Layer）與

電子傳輸層（Electron Transport Layer）後進入一

具有發光特性的有機物質在其內發生再結合時

形成一激發光子（exciton）後再將能量釋放出

來而回到基態（ground state）而這些釋放出來的

能量當中通常由於發光材料的選擇及電子自旋的

特性（spin state characteristics）只有 25（單重態

到基態singlet to ground state）的能量可以用來當

作OLED的發光其餘的 75（三重態到基態triplet

to ground state）是以磷光或熱的形式回歸到基態

由於所選擇的發光材料能階（band gap）的不同

可使這 25的能量以不同顏色的光的形式釋放出

來而形成 OLED 的發光現象

7-4-2 OLED 特點

高分子 OLED 元件的研究與發展便迅速成

長有機發光元件的相關領域得以快速進展得力

於它的元件特性及製作方式十分適合平面顯示器

的應用其特點如下

1不需晶態基板顯示器大小不受限制

2低溫製程可製作在任何基板上

3快速反應時間（ltμs）

4RGB 元件皆可製作

5低操作電壓

6高流明效率

7高亮度高對比

8自發光廣視角

和其他自發光顯示器技術如 CRTTFEL

PDP 及 FED 等相比較OLED 的操作電壓僅需數

伏特至十幾伏特明顯地遠低於其他技術（gt100

Circuit IC)的基本材料通常是由矽(Silicon Si)或

砷 化 鎵 (Gallium Arsenide GaAs) 等 半 導 體

(Semiconductor)所組成目前積體電路產業以矽晶

圓為主矽晶圓是目前製作積體電路的基底材料

(Substrate)矽晶圓本身雖然導電性不好但是只要

適當地加入一些離子就可以控制它的導電性在

晶圓表面製造出不同種類的電子元件如電晶體和

二極體IC 設計工程師必須依據不同功能利用這些

電子元件設計電路電路設計完成後所設計的電

路元件圖樣透過積體電路製造技術經過一系列

繁複的化學物理和光學程序製作到矽晶圓上完

成的矽晶圓上產生出數以千百計的晶粒(die)這

些晶粒必須逐一的進行測試切割封裝等過程

才能成為一顆顆具有各種功能的積體電路產品積

體電路的製程是十分精密複雜的其關鍵技術之

一即是在晶圓上製作細小寬度的線條圖樣愈細

的線條表示可以製作愈小尺寸的元件也就是相同

面積下可以有愈多的元件愈多的元件則可以得到

愈多功能的電路晶圓的尺寸可以決定裁切出來

的晶片有多少數量晶圓直徑愈大每片晶圓所能生

產的 IC 顆粒數愈多所需要的製造技術越好目

前最新的中央處理器所使用的是點一的技術所

謂點一的技術就是能控制積體電路線路的大小

（線寬與線距）在 01 微米的能力微米是一種長

度的單位1 微米是一百萬分之一公尺﹝10minus6

m﹞能將線路製作得越細小電子產品的體積也

就可以越小產品的品質與其市場上的單價也就越

高同時在單位矽晶圓的面積上所能生產的積

體電路晶片也就越多晶片的平均成本也就越低

雖然能處理晶圓大小的技術指標與能將線路控制

到多小的技術指標並不相同但是因為積體電路技

術往前推演的時程上的巧合這二種技術指標就常

被一般人互相混用如人們談到八吋晶圓廠時指

的就是點一三（013 微米）點一五（015 微米）

與點一八（018 微米）的製程技術目前談到十二

吋晶圓廠時所指的則是點一（01 微米）的製程

技術因此所謂的八吋十二吋廠間的差異最

重要的不只是能處理的晶圓大小不同而已其所能

製作積體電路的線寬與線距大小才是技術等級重

要的差距所在因為這一部分才真正與產品的層級

相關越小越精密的製程能力代表著能生產的積

體電路產品等級越高因此雖然同樣是八吋晶圓

廠仍會有點一三與點一八製程上的差異也才會

有如新聞中所提所謂高階與低階技術的不同

5-6 記憶體產品

5-6-1 DRAM

我國記憶體產業是以 DRAM 產品為主國內

DRAM 廠商在 12 吋廠產能快速增加以及製程持

續進行微縮使得 DRAM 產出呈現增長的態勢

不僅使我國成為全球 DRAM 單位成本最低的國

家我國 DRAM 產值之全球產品市占率也已超過

20居全球第 2 位（僅次於南韓）進而促使我

國在全球記憶體產業占有關鍵地位未來我國記憶

體廠商除了持續推升我國在全球 DRAM 產業之地

位外為了掌握 NAND Flash 在終端產品市場的龐

大潛在商機廠商已積極投入 NAND Flash 之佈局

5-6-2 類比 IC 產品

類比 IC 是作為橋接物理訊號如光聲音

溫度等自然現象的連續性訊號與電子裝置的重要

媒介其訊號是以連續的形式來傳遞在大自然裏

所表現的各種物理特性絕大多數都是類比屬性

若沒有類比 IC 來橋接物理訊息與電子產品許多

的數位電子產品將會無法完全工作

5-6-3 邏輯 IC

邏輯 IC 在 IC 家族中算是較早出現的產品

尤其標準邏輯 IC(Standard Logic)應是 IC 家族中年

紀最大的其大半只提供基本邏輯運算例如

ANDORNAND 等再由使用者自行組合成本

身電子產品所需之電路特性此一領域最早由

Bipolar 製程出發接著 MOS 產品跟著出現其後

結合兩者優點的 BiCMOS 製程亦廣受歡迎一陣子

5-6-4 微元件 IC

微元件 IC 包括微處理器(Microprocessor

MPU)微控制器(MicrocontrollerMCU)微週邊

(MicroperipheralMPR)和可程式的數位訊號處理器

(Digital Signal ProcessorDSP)四大族群其中 MPU

又可分為複雜指令集 (Complex Instruction Set

Computing CISC) 精 簡 指 令 集 (Reduced

Instruction Set ComputingRISC) 二大類而 MPR

則由較多產品組合而成的集團包括配合各式 MPU

的 系 統 核 心 邏 輯 晶 片 組 (System core Logic

Chipsets)各式視訊控制晶片組 (Graphics and

Imaging Controllers) 通 訊 控 制 晶 片 組

(Communications Controllers)儲存控制晶片組

(Mass Storage Controllers)和其他輸出入控制晶片

組如鍵盤控制器語音輸出入控制器筆式輸

入控制器等微元件 IC 大多使用於資訊通訊等

數位式訊號處理的部份幾乎全是 MOS 製程的產

品

5-7 全球半導體產業前景與碰到的問題

5-7-1 全球半導體產業的分工合作

因為科技的發達IC 產品功能越來越複雜相

對的製程也越來越精密因此各種設備的資金投入

變的更大許多國際整合元件(IDM)製造大廠都委

外晶圓製造據趨勢分析2009 年將有一半委外製

造這個巨變使半導體產業從過去的整合元件模式

變為朝 IC 設計(Fabless)晶圓廠輕簡化(Fab-lite)的

專業分工前進而這種專業分工模式對於半導體產

業分工細緻的台灣而言是相當吃香的因此預期

台灣將在全球的半導體供應鍊扮演著關鍵的角色

5-7-2 全球半導體產業的衰退

2007 年半導體產業在 Vista 需求不如預期且

受庫存嚴重等因素的影響下年成長率只剩下

287原本全球對於 2008 年的半導體市場是保持

樂觀的態度的但受到發端於華爾街股市的金融海

嘯全球實體經濟受到的侵蝕是迅速而深刻的因

此2008 年第三季度末第四季度初全球半導體

產業便已顯露出增長乏力甚至衰退的跡象

而其中最先受到影響的是數字信號處理（DSP）

芯片據市場調查機構 ForwardConcepts 數據指出

2008 年第四季度 DSP 芯片出貨量要較 2007 年同期

減少 5而在第三季度時DSP 芯片出貨量還較

上一季度增長了 8特別是僅僅 9 月份一個月就

較 8 月份增長了 40

ForwardConcepts 總裁 WillStrauss 表示DSP

芯片出貨量減少的原因是因為無線應用領域的使

用量與 2007 年同期持平但多用途和汽車電子領

域的使用量則較 2007 年同期大幅減少了 10

而此時半導體芯片業者的庫存也在急速升

高市場調查機構 iSuppli 數據指出2008 年第四

季度消費性電子用芯片的庫存量可能較上一季度

高出 3 倍左右iSuppli 表示芯片庫存過高將會

影響半導體產品的價格營收和獲利率並將妨礙

半導體產業從衰退走向復甦即使日後需求反彈

所達到的效果也將非常有限而在 2008 年第四季

度末iSuppli 指出全球囤積的芯片價值可能已超過

104 億美元

各家調研機構對於 2009 年全球半導體產業的

銷售收入也不看好SIA 預計2009 年全球半導體

芯片銷售收入將較 2008 年下降 56達到 2467

億美元WSTS 預計2009 年全球半導體銷售收入

將萎縮 22至 2560 億美元Gartner 預計2009

年全球半導體芯片銷售收入增長將僅有 1達到

2822 億美元Gartner 還特別指出若情況進一步

惡化明年半導體芯片銷售收入將有可能下滑

103iSuppli 的數字還是最為悲觀的它預計 2009

年全球半導體芯片銷售收入僅為 2192 億美元較

2008 年大幅下降 163

除了銷售收入的減少方面另一嚴重的問題是

投資人投資慾望的減退這從全球半導體聯盟(GSA)

發表的 2008 年第三季度資金募款報告便可窺見端

倪根據報告內容全球半導體業者在去年第三季

度共募得了 2316 億美元的風險資金較第二季度

大幅縮減 44也較去年同期減少 36顯見半導

體景氣已步入緊縮GSA 指出全球 21 家 Fabless

公司與 IDM 業者第三季度的資金募集情況證實了

風險投資者已對芯片業者的投資興趣逐漸降低

同樣全球半導體設備的支出也在減少連帶

導致半導體產能增加下滑據 Gartner 的最新報告

指出全球半導體設備支出的預期將再度下調不

僅 2008 年半導體設備支出會減少 306達到 311

億美元而且在 2009 年還會進一步減少 317下

滑至 212 億美元Gartner 半導體製造部副總裁

KlausRinnen 表示全球經濟衰退對不景氣的半導

體和設備產業產生了巨大的影響Rinnen 指出目

前所有領域的零組件製造商包括 NANDFlash 和

DRAM 產業都開始採取減產措施並且關閉成本效

率較低的工廠而在晶圓廠部分也開始減緩產

能降低資本支出並且積極研發新技術

設備支出統計預估圖

Gartner 預計2008 年晶圓廠設備支出會減少

3092009 年則將減少 331而在光蝕刻設備

上2008 年支出會減少 22至 2009 年時還將

進一步減少 38主要原因是內存製造商減緩採用

沉浸式技術的時程並延長舊設備的使用期限此

外報告還指出 2009 年全球封裝設備支出也將下

滑 30左右自動測試設備市場也同樣會衰退近

20銷售額甚至會下跌至 20 億美元以下

在晶圓產能方面其增長率也創下自 2002 年

以來的新低據國際半導體設備材料產業協會

(SEMI)公佈的最新《全球晶圓廠預測》報告指出

全球晶圓廠產能在 2008 年僅增長了 5(每月約共

540 萬片)預計 2009 年也僅有 4~5(每月約 610

萬片)的增長在 2003~2007 年增長程度都是兩位

數面對全球性的經濟衰退過度供給以及內存

平均售價跌落許多內存公司選擇關閉 8 英吋工廠

因應

另外一個問題是消費者買氣低迷SIA 總裁

GeorgeScalise 表示由於半導體產業的銷售收入增

長與消費者購買電子產品有密不可分的關係因

此幾乎全球半導體銷售收入有一半是來自於消費

者的購買因此當景氣衰退時對半導體業者將

產生直接衝擊

SIA 引述德意志銀行的一篇報告表示2009 年

全球 PC 銷售將會下降 5手機則預計會下降

64而這兩個市場便佔據全球半導體消費的 60

左右因此2009 年半導體業的衰退將在所難免

5-7-3 全球半導體產業的前景

台積電董事長張忠謀昨在二月二十三日指

出全球半導體業已經觸底但是未來將呈現緩慢

復甦的「L 型反轉」顯示產業景氣仍不是太樂觀

而麥格理全球半導體團隊也同時下修了今年

度半導體營收預測從原本的1951億美元降至1875

億美元年減達到 246

麥格理指出儘管庫存可望於第 2 季就調整至

健康水位並帶動庫存回補急單及營收成長動能

但整體而言美國的終端需求仍然非常疲弱因此

到今年下半年營收都還會有再下修的風險

而全球晶片產能過剩的問題仍將持續至 2009

年全年

麥格理指出目前許多大廠都採取刪減資本支

出的策略以維持足夠的現金流量和美化資產負債

表但卻限制了整體產業的發展

半導體相關族群的股價自去年 12 月以來已經

出現了幾波反彈麥格理指出回顧 2001 年科技

泡沫化時半導體股價也曾出現毫無基本面支持的

「無基之彈」提前反映了市場對於產業景氣回春

的過度樂觀但實際上疲弱的終求終將嚴重限制

產業的成長動能預估 2010 年以前股價還是很

難維持穩定向上趨勢

5-7-4 全球不景氣與半導體

根據各經濟研究機構下修未來景氣來看2007

年全球半導體成長率為 32達 2556 億美元而

這與全球國內生長毛額(GDP)成長率有密切的連動

關係IMF 下修 2009 年全球 GDP 成長率為 22

全球半導體產值呈現-61成長率經濟風暴的擴

散以及電子產品需求下滑造成市場需求疲軟也

間接影響了半導體產業足見半導體寒冬的降臨

而唯一在半導體產業較有成長的國家則為新興國

家主因在於低價消費性電子產品的需求較高

全球半導體產業成長率與 GDP 成長率關係圖

5-8 台灣半導體產業前景與碰到的問題

5-8-1 台灣半導體產業的前景

近年來台灣半導體設備廠商希望擺脫代理

代工傳統但僅以發展中低階產品為主未能建立

國際品牌地位較為成功廠商屬漢民微測及漢辰科

技等切入缺陷量測離子佈值等產品並推出自

有品牌已順利銷售到台積電聯電茂德等業者

也外銷到北美新加坡等地但金額及數量仍未具

備國際實力

半導體主要關鍵設備如光阻塗佈設備微影設

備等都仰賴進口目前上游設備外商在台雖設有公

司但大都屬於技術服務用途初步方式應與上游

設備廠商合作在台共同投資以研發關鍵零組件並

積極引進關鍵技術如氣體控制系統晶圓傳輸機

構製程反應真空系統技術等

在半導體產業競爭激烈及投資設備昂貴等因

素下台灣半導體業者均面臨成本競爭的壓力國

外設備業者若能來台投資就近支援提供此產業缺

口之服務將可共創互利共榮的產業合作關係

展望 2009 年在全球經濟景氣短期仍難見好

轉的情況下全球 IC 產業都將呈現較 2008 年更加

衰退之情況然而全球 IC 產業景氣預估將在 2009

年下半年落底並且在 2010 年呈現逐漸復甦之情

況面對此景氣的寒冬預估 2009 年台灣 IC 產業

產值僅達 9845 億元較 2008 年衰退 269其中

設計業產值為 3030 億新台幣較 2008 年衰退

192製造業為 4350 億新台幣較 2008 年衰退

335封裝業為 1680 億新台幣較 2008 年衰退

242測試業為 785 億新台幣較 2008 年衰退

187

5-8-2 台灣半導體產業受到經濟風暴的影響

2008 年下半年金融巨擘陸續倒閉危及全球經

濟而半導體產業也受到極大衝擊2008 年下半年

開始由於經濟局勢反映了需求面的降溫業者紛

紛下修 2008 年獲利以及營收展望而台灣半導體

產業在此波景氣衰退下的景況與因應之道更加引

發關注

台灣半導體產業供應鏈之缺口在台灣半導體

相關設備零組件等的自製率甚低且缺乏取得設

備規格需求的管道設備開發和製程技術掌握度

低經營規模較海外廠商小全面品質管理有差距

展望 2009 年在全球經濟景氣短期仍難見好

轉的情況下全球 IC 產業都將呈現較 2008 年更加

衰退之情況然而全球 IC 產業景氣預估將在 2009

年下半年落底並且在 2010 年呈現逐漸復甦之情

況面對此景氣的寒冬預估 2009 年台灣 IC 產業

產值僅達 9845 億元較 2008 年衰退 269其中

設計業產值為 3030 億新台幣較 2008 年衰退

192製造業為 4350 億新台幣較 2008 年衰退

335封裝業為 1680 億新台幣較 2008 年衰退

242測試業為 785 億新台幣較 2008 年衰退

187

2008 年台灣 IC 產業產值統計與預估

5-9 最新半導體產業事件

5-9-1 DRAM 產業景氣冰風暴下游封測廠也受凍

DRAM 廠如力晶ElpidaHynix茂德與華亞

等紛紛宣佈減產減產達 13再次反映出 DRAM

市場環境的惡劣在 DRAM 封測廠的產能利用率

方面隨著 DRAM 市場的不景氣滿載的情況已

不復見以封裝與測試來分析今年以來平均封裝

產能已經下滑了約 30左右測試產能更下滑了約

40此外 DRAM 廠在九月陸續減產之後預估整

體顆粒產出量縮會在明年一月陸續浮現也將嚴重

擠壓到封測廠的封裝與測試產能的利用率

DRAM 產業為支撐台灣半導體兆元產業半壁

江山的主要推手也是連帶帶動台灣下游封測廠商

業務的重要功臣但 DRAM 具標準型產品特型

會隨著景氣有大起大落的現象也嚴重影響以

DRAM 封測業務為主的部份後段廠商面對美國次

貸風暴的陰影下業者當務之急為盡量爭取非

DRAM 產品如邏輯Flash 等來填補產能並保持現

金水位但長遠來看下游封測廠仍然必須審慎思

考產品佈局以開拓邏輯產品作為分散產業風險的

策略為佳

5-9-2 奇夢達重整 全球裁員三千人

德國 DRAM 大廠 Qimonda 宣佈全球重整計

劃除了將所持有的 356華亞科技持股售予美國

DRAM廠Micron也將全球裁員 3000名員工2009

年 1 月時關閉位於美國 Richmond 的 8 吋廠以及

在 2009年 3月前關閉位於德國Dresden的後段封測

及模組廠另外Qimonda 財務長 Michael Majerus

也宣佈辭職一直被市場分析師認為有資金不足風

險的 Qimonda昨日出售手中持有的華亞科技股權

予美光拿到了 4 億美元的資金正好可再撐一陣

子而 Qimonda 也宣佈全球重整計劃希望完成後

每年省下 45 億歐元的費用成本未來奇夢達將

全更專注在高毛利率的繪圖卡用 GDDR遊戲機及

行動通訊產品使用的利基型 DRAM 等市場降低

集中在標準型 DRAM 市場的風險

從 Qimonda 全球裁員人數高達三千人以及賣

出 Inotera 股權給美國 Micron 這兩個事件來看幾

乎可確定 Qimonda 短期內將淡出標準型 DRAM 市

場並針對公司的產品線及未來定位做進一步的安

排Qimonda 一度位居全球第二大的 DRAM 公司

最後卻因技術發展方向的失誤以及 12 吋晶圓廠

先進製程產能的不足而敗下陣來對台灣的 DRAM

廠商而言是很重要的一個參考案例展望未來

Qimonda 在資金技術12 吋晶圓廠產能等等相

較於美日韓等公司的差距已逐漸拉大在可預

見的未來Qimonda 要重回標準型 DRAM 市場競

爭核心已不可能全球 DRAM 品牌市場將由美

日韓所主導台灣則扮演 DRAM 的重要製造角

色

5-9-3 AMD 組建新合資企業轉移 12 億美元債務

AMD 宣佈計畫分離其製造業務並與阿聯酋阿

布 達 比政 府的 先 進技 術投 資 公司 (Advanced

Technology Investment CoATIC)攜手成立一家

新的合資企業AMD 在一份聲明中表示雙方聯

手後 AMD 將擁有新合資公司 444的股份ATIC

則持有剩餘的 556雙方將在合資企業的董事會

中獲得相同席位

AMD 將為新合資企業提供先進的生產設備

包括位於德國德勒斯頓的兩座晶片製造工廠以及

相關資產和知識產權ATIC 則將向新合資企業注

入 21 億美元其中 14 億美元為直接投資剩餘資

金將用於收購合資企業股份ATIC 還將在未來 5

年內對合資企業投資 36 億至 60 億美元

AMD 在這過程中可說是佔了許多的好處除了

確保將製造業務分割後短期內仍能以較少的代價

獲得新合資公司的產能支援外也能拋開 12 億美

元的債務以及新的合資公司所要投資的產能更新

或擴充的資金壓力而將更多的資金及資源投入在

下一代 IC 產品的開發某種程度上AMD 的作法

很類似售出資產後回租的方式透過這種安排

AMD 得以抬高公司技術研發經費佔營收規模的比

重而能夠以較小的公司規模與全球 CPU 巨擘 Intel

持續在主流的 CPU 市場上展開競爭

六光子晶體在半導體的原理及應用 李韋廷

6-1 序

1948 年美國貝爾實驗室的三位傑出科學

家W SchokleyJ BardeenWH Brattain 發明了

雙極電晶體（Bipolar transistor）世界開始邁入半

導體的世紀在這電子和資訊工業發達的時代出了

許多優秀的科學家而最為人知的應該是 Gordon

Earle Moore（Intel 的創始人之一）Moorersquos Law

引起了熱烈討論半導體的發展是否如他所預言一

般

時間證明了一切現在的半導體蝕刻從

95nm65nm45nm 到 32nmTop-down 的技術逐

漸遇到瓶頸科學家們不斷的研究新的技術希望

能做的更小更快耗能更少的半導體而光晶正

好滿足了此需求

6-2 光子晶體介紹

光子晶體在 1987 年才由科學家正式的給予

此一名稱但在自然中早存在這種性質的物質盛

產於澳洲的寶石蛋白石（圖一）即為一例

圖一

在生物界中也不乏光子晶體的蹤跡以花叢

中翩翩起舞的蝴蝶（圖二-左）為例其色彩斑斕的

翅膀也是拜光子晶體所賜

圖二

而這些色彩繽紛的外觀和色彩與色素無關

倒底光子晶體是如何產生這些斑斕的色彩讓我們

來一窺就盡

晶體（如半導體）當中由於電子受到晶格

的周期性位勢（periodic potential）散色部份波段

會因破壞性干涉形成能階（energy gap）導製電子

的色散關係（dispersion relation）程帶狀分佈這

是眾所皆知的電子能帶結構（ electron band

structure）類似現象也存在於光子系統中在介電

物質其係數呈週期性排列的三維介電材料中電磁

波經介電函數散射後某些波段的電磁波強度會因

破壞性干涉而呈指數衰減光便無法在系統內傳

遞相當於在頻譜上形成能階於是色散關係也具

有帶狀結構此即所謂光子能帶結構（photonic band

structures）當介電物質具有光子能帶結構時就稱

為光能階系統（photonic band gap system簡稱 PBG

系統）或簡稱光子晶體（photonic crystal）光子晶

體是能對光作出反應的特殊晶格而這些晶格有著

規律的排列緊密的結構（圖二-右）當光照射在

光子晶體上時因為受到光子能帶結構的影響部

份波長受到破壞性的干涉無法傳遞產生不同的顏

色這一類影響光子運動的光學結構類似於半導

體晶體對電子的影響經由多次的研究與嘗試終

於製造出人工的光子晶體利用它類似半導體的行

為應用在許多新的半導體元件上如光纖光電

算機等將電子的世代向光子世代邁進

6-3 原理

Photonic Band Gap（PBG）

光能階是來自電子能階（electron band）不連續的

概念如同電子在有歸律的單晶之中X-ray 對其

繞射所產生的影響建構光子能階時也是運用相

同的道理在整齊的 regular crystal 中晶格對光的

影響

原理公式推導利用一維的 Maxwell equation

1

(r) H r

w2

c2 H r

將這一方程式想成是介電係數所產生的 boundary

condition限制電磁波中磁場的行為把這影響寫

成 operator

1

r

換成 bra-cat 的形式

Q H r E f H r 再轉成 Energy equation

E f H r Q H r H r H r

可由上束公式推出能量的不連續性

從電子能階的圖進一步由公式推導至光子晶體的

結果可以發現在 Oscilation potential 圖中有相同

的結果能量會出現不連續

將這一連串不連續的圖譜程現如下

在不連續處就是所謂的 photonic band

gap不同於 electron band gap 的是photonic bad gap

是一 forbidden gap 即光無法通過利用此一原理

無法通過的波長會以其互補色的顏色出現這就是

為什麼光子晶體會有這樣多變的色彩

6-4 製作

光子晶體的製作是非常困難的在科技如此

發達的現在仍然沒有一可量產的製作流程只能

說大自然的鬼斧神工實在令人讚嘆不過經過科

學家的努力人功晶體的製作也有大幅度的進步

除了原有應用在二維晶體的 top-down 蝕刻技術也

研究出三維方向中 button-up 的自組裝技術下圖是

幾種常見的製作方法

以三維晶體為例共有下列幾種的製造方法

過濾離心真空自然乾燥再經過高溫段燒使

晶體因高溫熔融後結構更加堅固

其中自然乾燥和過濾是最常見的作法

6-4-1 自然乾燥法

利用勻像的溶液粒子分佈均勻靜置 3~4 天慢慢

沉澱所產生

均勻混合粒子溶液

靜置等待沉澱

理想的排列狀況

SEM

6-4-2 過濾法

利用抽氣過濾的方法快速的將液體抽乾在

抽乾的同時隨著水流的向下粒子在底部排列

在排列整齊後經過段燒使得粒子排列更堅固

二維晶體主要使用光蝕刻法可以利用光罩的設

計達到光波導的效果讓晶體的排列更整齊晶格

更小

運用以上的製作方法將作出來的光子晶體依照

其物理性質應用在半導體之中

6-5 應用

蝕刻出來的二維光子晶體具有共振性對光

波有一定的選擇性也就是上述原理所說的 PBG

因此可利用將特定波長的光子濾出並轉向做為光

電儀器的訊號傳遞

若將多種不同粒徑大小的光子晶體合在一

起作成一多光子晶體晶格的積體材料加上晶體

的化學性質例如利用偏壓產生振動使晶格結構

改變讓選擇性改變在 detector 端會因為所接受

到的波長不同有不同的訊號產生就好像半導體電

子訊號的產生製造出機械語言 0101 的效果如

此一來便可應用在電子儀器上

但光子晶體通常是使用非導體的材料如二

氧化矽或聚合物的分子球化學性質穩定和物理性

質結構整齊所以大多不易受到酸鹼或外力的影

響在訊號的控制上有不小的困難為了解決這樣

的問題化學家便把半導體材料和有機化合物參雜

至其中

最常見的半導體材料參雜是用 CdSe製作技

術是利用光子晶體的粒子做為模板常用的是

Polystyrene sphere將具有 Cd2+Se2+的離溶液加

入其中以電度的方式將 CdSe 填滿粒子的空隙

在用有機溶液將粒子洗去剩下 CdSe 和之前粒子

所佔的空間如下圖所示

將溶液填入

電度移除粒子

光晶形成

SEM

這一類的光子晶體稱做逆光晶其原理與

光子晶體相同可用半導體偏壓的性質改變晶體

的結構控製訊號的傳遞

另一類的光子晶體是將有機化合物 coating在

粒子的表面通常是由小粒子一層一層 coating讓

粒子越長越大再做沉澱如下圖

利用有機合成的方法step by step合成出粒

徑大小一至的球狀粒子其中粒徑的大小一致性很

重要是能否形成光子晶體的關鍵再 coating 有

機物上去靜置乾燥待液體除去後就完成了

這一類光子晶體通常以其化性為控製因

素可以用酸鹼光電控制而較令人值得討論研

究的範圍是在有機物具 photo sensitive便可用光子

來做為控制的開關達到完全的光積體材料再來是

有機物的光子晶體可運用在生物上利用生物體中

的酵素或是特定的環境做醫療的應用也依靠

分子的作用力在溶液中形成光子晶體利用化學家

的知識將光子晶體運用在各方面

現在光子晶體應用在半導體上仍處於剛起

步的狀態市面上較常見的半導體應用於大型的光

電算機其運算速度都較傳統的電腦快耗能也較

少大幅度降低訊號延遲在其它方面的應用有光

纖傳輸優點在於低耗能無訊號延遲可傳輸高

功率雷射在大角度的訊號流失低透鏡以光子

晶體做成的透鏡具備的優點有平面易製作消散

波可同時聚集沒有像差沒有成像極限在微波領

域利用光子晶體的特性可濾掉一些電磁波做

為輻射的防護避免病變也可用在微波天線的基

底減少微波吸收發熱降低發射器的損耗由上

面眾多的應用可以發現光子晶體不斷的出現在我

們生活當中逐漸取代舊的半導體材料將電子的

世代轉入光子的世紀讓我們靜靜期待光子晶體在

未來的發展

七有機半導體 鄭名宏

7-1 前言

有機半導體(organic semiconductors)是指任何

擁有半導體性值的有機物質自從科學家在 1948

發現苯二甲藍素 (phthlo cyanine)的導電性後正式

開始了研究有機半導體逐步解明有機結晶的電子

狀態隨著研究發展現在有機半導體已廣泛應用

在各種領域之中以下將介紹有機半導體的簡史及

特色再介紹有機發光半導體(OLED)有機薄膜電

晶體(OTFT)高分子有機太陽能電池等三個有機半

導體上熱門且具有潛力的領域

7-2 發展歷史

1977 年日本白川英樹(Hideki Shirakawa)教授

發表的氧化與碘摻雜聚乙炔(polyacetylene)的高導

電性發現透過摻雜的方式可以讓聚乙炔的導電

性提高12個數量級成為導體而另一方面由美

國賓州大學物理系Alan J Heeger與化學系Alan G

MacDiarmid在1974年發表的有機電子元件使用古

典的電子傳導理論解釋這些有機物質的導電率他

們三人的研究開啟了近代十多年來有機導電分子

等的研究開發為了表揚他們在導電高分子的發現

與發展他們三人也在2000年共同獲得了諾貝爾獎

化學獎

雖然有機半導體確實可以克服很多無機半導

體的不足但由於有機半導體先天對於金屬不穩

定低載子移動率(carrier mobility)以及有機材料與

電子元件難以整合等問題讓研究上碰到瓶頸有

機半導體之主動電子元件(有機發光二極體有機太

陽能電池及有機薄膜電晶體)在研發上一直無法突

破這種情形直到1987年美國科達公司的鄧青雲博

士等人利用類似PN接面的雙層有機結構製作出第

一個低電壓高效率的有機發光二極體克服了上

述大部分有關有機半導體的缺點鄧博士所使用的

有機材料的個別分子單元包含了以共價鍵結合的

約30~40個原子以這樣的有機材料所構成的有機

發光二極體被稱作小分子OLED在1990年英國劍

橋大學的研究人員利用有機高分子材料 poly

para-(phenylene vinylene)(PPV)製作出類似的電激

發光的元件此種有機發光二極體被稱作高分子

LED (Polymer Light-Emitting Diode PLED)自此

不但觸發了研究學者對OLEDPLED之密集的研

究也引起業界對OLEDPLED平面顯示器的興趣

有機半導體當今被廣泛使用於光電元件中例

如有機發光二極體(organic light-emitting diodes

OLED)有機太陽能電池(organic solar cells)有機

薄膜電晶體（Organic thin film transistorsOTFT）

的電化學電晶體(electrochemical transistors)與生物

探測的應用等

7-3 有機半導體的特色

有機半導體的優勢有可人工調節其物性有

無機化合物金屬所無的新物性亦即容易混合分

散於高分子化合物中又因可作成高分子狀態可

具備塑膠獨特的加工性成形性大量生產性經

濟性改變種類添加物等而可廣範圍改變特性

但其缺點是載子(擔體)的移動度小於無機半導

體因而不宜利用移動度有關的電氣物性實際

上最近實用化的塑膠熱阻體有機光半導體都是

高分子半導體利用其本身的電阻變化

7-4 有機發光半導體

有機發光二極體（ Organic Light-Emitting

Diode簡稱OLED）與 TFT-LCD「薄膜電晶體液

晶顯示器」（Thin Film Transistor Liquid Crystal

Display）是不同類型的產品部分國外又稱 OLED

為有機電激發光顯示（Organic Electroluminesence

Display OELD）

7-4-1 OLED 的結構與原理

OLED 的基本結構是由一薄而透明具半導體特

性之銦錫氧化物(ITO)與電力之正極相連再加上

另一個金屬陰極包成如三明治的結構整個 結

構層中包括了電洞傳輸層(HTL)發光層(EL)與

電子傳輸層(ETL)當加入一外加偏壓使電子電

洞分別經過電洞傳輸層（Hole Transport Layer）與

電子傳輸層（Electron Transport Layer）後進入一

具有發光特性的有機物質在其內發生再結合時

形成一激發光子（exciton）後再將能量釋放出

來而回到基態（ground state）而這些釋放出來的

能量當中通常由於發光材料的選擇及電子自旋的

特性（spin state characteristics）只有 25（單重態

到基態singlet to ground state）的能量可以用來當

作OLED的發光其餘的 75（三重態到基態triplet

to ground state）是以磷光或熱的形式回歸到基態

由於所選擇的發光材料能階（band gap）的不同

可使這 25的能量以不同顏色的光的形式釋放出

來而形成 OLED 的發光現象

7-4-2 OLED 特點

高分子 OLED 元件的研究與發展便迅速成

長有機發光元件的相關領域得以快速進展得力

於它的元件特性及製作方式十分適合平面顯示器

的應用其特點如下

1不需晶態基板顯示器大小不受限制

2低溫製程可製作在任何基板上

3快速反應時間（ltμs）

4RGB 元件皆可製作

5低操作電壓

6高流明效率

7高亮度高對比

8自發光廣視角

和其他自發光顯示器技術如 CRTTFEL

PDP 及 FED 等相比較OLED 的操作電壓僅需數

伏特至十幾伏特明顯地遠低於其他技術（gt100

(Digital Signal ProcessorDSP)四大族群其中 MPU

又可分為複雜指令集 (Complex Instruction Set

Computing CISC) 精 簡 指 令 集 (Reduced

Instruction Set ComputingRISC) 二大類而 MPR

則由較多產品組合而成的集團包括配合各式 MPU

的 系 統 核 心 邏 輯 晶 片 組 (System core Logic

Chipsets)各式視訊控制晶片組 (Graphics and

Imaging Controllers) 通 訊 控 制 晶 片 組

(Communications Controllers)儲存控制晶片組

(Mass Storage Controllers)和其他輸出入控制晶片

組如鍵盤控制器語音輸出入控制器筆式輸

入控制器等微元件 IC 大多使用於資訊通訊等

數位式訊號處理的部份幾乎全是 MOS 製程的產

品

5-7 全球半導體產業前景與碰到的問題

5-7-1 全球半導體產業的分工合作

因為科技的發達IC 產品功能越來越複雜相

對的製程也越來越精密因此各種設備的資金投入

變的更大許多國際整合元件(IDM)製造大廠都委

外晶圓製造據趨勢分析2009 年將有一半委外製

造這個巨變使半導體產業從過去的整合元件模式

變為朝 IC 設計(Fabless)晶圓廠輕簡化(Fab-lite)的

專業分工前進而這種專業分工模式對於半導體產

業分工細緻的台灣而言是相當吃香的因此預期

台灣將在全球的半導體供應鍊扮演著關鍵的角色

5-7-2 全球半導體產業的衰退

2007 年半導體產業在 Vista 需求不如預期且

受庫存嚴重等因素的影響下年成長率只剩下

287原本全球對於 2008 年的半導體市場是保持

樂觀的態度的但受到發端於華爾街股市的金融海

嘯全球實體經濟受到的侵蝕是迅速而深刻的因

此2008 年第三季度末第四季度初全球半導體

產業便已顯露出增長乏力甚至衰退的跡象

而其中最先受到影響的是數字信號處理（DSP）

芯片據市場調查機構 ForwardConcepts 數據指出

2008 年第四季度 DSP 芯片出貨量要較 2007 年同期

減少 5而在第三季度時DSP 芯片出貨量還較

上一季度增長了 8特別是僅僅 9 月份一個月就

較 8 月份增長了 40

ForwardConcepts 總裁 WillStrauss 表示DSP

芯片出貨量減少的原因是因為無線應用領域的使

用量與 2007 年同期持平但多用途和汽車電子領

域的使用量則較 2007 年同期大幅減少了 10

而此時半導體芯片業者的庫存也在急速升

高市場調查機構 iSuppli 數據指出2008 年第四

季度消費性電子用芯片的庫存量可能較上一季度

高出 3 倍左右iSuppli 表示芯片庫存過高將會

影響半導體產品的價格營收和獲利率並將妨礙

半導體產業從衰退走向復甦即使日後需求反彈

所達到的效果也將非常有限而在 2008 年第四季

度末iSuppli 指出全球囤積的芯片價值可能已超過

104 億美元

各家調研機構對於 2009 年全球半導體產業的

銷售收入也不看好SIA 預計2009 年全球半導體

芯片銷售收入將較 2008 年下降 56達到 2467

億美元WSTS 預計2009 年全球半導體銷售收入

將萎縮 22至 2560 億美元Gartner 預計2009

年全球半導體芯片銷售收入增長將僅有 1達到

2822 億美元Gartner 還特別指出若情況進一步

惡化明年半導體芯片銷售收入將有可能下滑

103iSuppli 的數字還是最為悲觀的它預計 2009

年全球半導體芯片銷售收入僅為 2192 億美元較

2008 年大幅下降 163

除了銷售收入的減少方面另一嚴重的問題是

投資人投資慾望的減退這從全球半導體聯盟(GSA)

發表的 2008 年第三季度資金募款報告便可窺見端

倪根據報告內容全球半導體業者在去年第三季

度共募得了 2316 億美元的風險資金較第二季度

大幅縮減 44也較去年同期減少 36顯見半導

體景氣已步入緊縮GSA 指出全球 21 家 Fabless

公司與 IDM 業者第三季度的資金募集情況證實了

風險投資者已對芯片業者的投資興趣逐漸降低

同樣全球半導體設備的支出也在減少連帶

導致半導體產能增加下滑據 Gartner 的最新報告

指出全球半導體設備支出的預期將再度下調不

僅 2008 年半導體設備支出會減少 306達到 311

億美元而且在 2009 年還會進一步減少 317下

滑至 212 億美元Gartner 半導體製造部副總裁

KlausRinnen 表示全球經濟衰退對不景氣的半導

體和設備產業產生了巨大的影響Rinnen 指出目

前所有領域的零組件製造商包括 NANDFlash 和

DRAM 產業都開始採取減產措施並且關閉成本效

率較低的工廠而在晶圓廠部分也開始減緩產

能降低資本支出並且積極研發新技術

設備支出統計預估圖

Gartner 預計2008 年晶圓廠設備支出會減少

3092009 年則將減少 331而在光蝕刻設備

上2008 年支出會減少 22至 2009 年時還將

進一步減少 38主要原因是內存製造商減緩採用

沉浸式技術的時程並延長舊設備的使用期限此

外報告還指出 2009 年全球封裝設備支出也將下

滑 30左右自動測試設備市場也同樣會衰退近

20銷售額甚至會下跌至 20 億美元以下

在晶圓產能方面其增長率也創下自 2002 年

以來的新低據國際半導體設備材料產業協會

(SEMI)公佈的最新《全球晶圓廠預測》報告指出

全球晶圓廠產能在 2008 年僅增長了 5(每月約共

540 萬片)預計 2009 年也僅有 4~5(每月約 610

萬片)的增長在 2003~2007 年增長程度都是兩位

數面對全球性的經濟衰退過度供給以及內存

平均售價跌落許多內存公司選擇關閉 8 英吋工廠

因應

另外一個問題是消費者買氣低迷SIA 總裁

GeorgeScalise 表示由於半導體產業的銷售收入增

長與消費者購買電子產品有密不可分的關係因

此幾乎全球半導體銷售收入有一半是來自於消費

者的購買因此當景氣衰退時對半導體業者將

產生直接衝擊

SIA 引述德意志銀行的一篇報告表示2009 年

全球 PC 銷售將會下降 5手機則預計會下降

64而這兩個市場便佔據全球半導體消費的 60

左右因此2009 年半導體業的衰退將在所難免

5-7-3 全球半導體產業的前景

台積電董事長張忠謀昨在二月二十三日指

出全球半導體業已經觸底但是未來將呈現緩慢

復甦的「L 型反轉」顯示產業景氣仍不是太樂觀

而麥格理全球半導體團隊也同時下修了今年

度半導體營收預測從原本的1951億美元降至1875

億美元年減達到 246

麥格理指出儘管庫存可望於第 2 季就調整至

健康水位並帶動庫存回補急單及營收成長動能

但整體而言美國的終端需求仍然非常疲弱因此

到今年下半年營收都還會有再下修的風險

而全球晶片產能過剩的問題仍將持續至 2009

年全年

麥格理指出目前許多大廠都採取刪減資本支

出的策略以維持足夠的現金流量和美化資產負債

表但卻限制了整體產業的發展

半導體相關族群的股價自去年 12 月以來已經

出現了幾波反彈麥格理指出回顧 2001 年科技

泡沫化時半導體股價也曾出現毫無基本面支持的

「無基之彈」提前反映了市場對於產業景氣回春

的過度樂觀但實際上疲弱的終求終將嚴重限制

產業的成長動能預估 2010 年以前股價還是很

難維持穩定向上趨勢

5-7-4 全球不景氣與半導體

根據各經濟研究機構下修未來景氣來看2007

年全球半導體成長率為 32達 2556 億美元而

這與全球國內生長毛額(GDP)成長率有密切的連動

關係IMF 下修 2009 年全球 GDP 成長率為 22

全球半導體產值呈現-61成長率經濟風暴的擴

散以及電子產品需求下滑造成市場需求疲軟也

間接影響了半導體產業足見半導體寒冬的降臨

而唯一在半導體產業較有成長的國家則為新興國

家主因在於低價消費性電子產品的需求較高

全球半導體產業成長率與 GDP 成長率關係圖

5-8 台灣半導體產業前景與碰到的問題

5-8-1 台灣半導體產業的前景

近年來台灣半導體設備廠商希望擺脫代理

代工傳統但僅以發展中低階產品為主未能建立

國際品牌地位較為成功廠商屬漢民微測及漢辰科

技等切入缺陷量測離子佈值等產品並推出自

有品牌已順利銷售到台積電聯電茂德等業者

也外銷到北美新加坡等地但金額及數量仍未具

備國際實力

半導體主要關鍵設備如光阻塗佈設備微影設

備等都仰賴進口目前上游設備外商在台雖設有公

司但大都屬於技術服務用途初步方式應與上游

設備廠商合作在台共同投資以研發關鍵零組件並

積極引進關鍵技術如氣體控制系統晶圓傳輸機

構製程反應真空系統技術等

在半導體產業競爭激烈及投資設備昂貴等因

素下台灣半導體業者均面臨成本競爭的壓力國

外設備業者若能來台投資就近支援提供此產業缺

口之服務將可共創互利共榮的產業合作關係

展望 2009 年在全球經濟景氣短期仍難見好

轉的情況下全球 IC 產業都將呈現較 2008 年更加

衰退之情況然而全球 IC 產業景氣預估將在 2009

年下半年落底並且在 2010 年呈現逐漸復甦之情

況面對此景氣的寒冬預估 2009 年台灣 IC 產業

產值僅達 9845 億元較 2008 年衰退 269其中

設計業產值為 3030 億新台幣較 2008 年衰退

192製造業為 4350 億新台幣較 2008 年衰退

335封裝業為 1680 億新台幣較 2008 年衰退

242測試業為 785 億新台幣較 2008 年衰退

187

5-8-2 台灣半導體產業受到經濟風暴的影響

2008 年下半年金融巨擘陸續倒閉危及全球經

濟而半導體產業也受到極大衝擊2008 年下半年

開始由於經濟局勢反映了需求面的降溫業者紛

紛下修 2008 年獲利以及營收展望而台灣半導體

產業在此波景氣衰退下的景況與因應之道更加引

發關注

台灣半導體產業供應鏈之缺口在台灣半導體

相關設備零組件等的自製率甚低且缺乏取得設

備規格需求的管道設備開發和製程技術掌握度

低經營規模較海外廠商小全面品質管理有差距

展望 2009 年在全球經濟景氣短期仍難見好

轉的情況下全球 IC 產業都將呈現較 2008 年更加

衰退之情況然而全球 IC 產業景氣預估將在 2009

年下半年落底並且在 2010 年呈現逐漸復甦之情

況面對此景氣的寒冬預估 2009 年台灣 IC 產業

產值僅達 9845 億元較 2008 年衰退 269其中

設計業產值為 3030 億新台幣較 2008 年衰退

192製造業為 4350 億新台幣較 2008 年衰退

335封裝業為 1680 億新台幣較 2008 年衰退

242測試業為 785 億新台幣較 2008 年衰退

187

2008 年台灣 IC 產業產值統計與預估

5-9 最新半導體產業事件

5-9-1 DRAM 產業景氣冰風暴下游封測廠也受凍

DRAM 廠如力晶ElpidaHynix茂德與華亞

等紛紛宣佈減產減產達 13再次反映出 DRAM

市場環境的惡劣在 DRAM 封測廠的產能利用率

方面隨著 DRAM 市場的不景氣滿載的情況已

不復見以封裝與測試來分析今年以來平均封裝

產能已經下滑了約 30左右測試產能更下滑了約

40此外 DRAM 廠在九月陸續減產之後預估整

體顆粒產出量縮會在明年一月陸續浮現也將嚴重

擠壓到封測廠的封裝與測試產能的利用率

DRAM 產業為支撐台灣半導體兆元產業半壁

江山的主要推手也是連帶帶動台灣下游封測廠商

業務的重要功臣但 DRAM 具標準型產品特型

會隨著景氣有大起大落的現象也嚴重影響以

DRAM 封測業務為主的部份後段廠商面對美國次

貸風暴的陰影下業者當務之急為盡量爭取非

DRAM 產品如邏輯Flash 等來填補產能並保持現

金水位但長遠來看下游封測廠仍然必須審慎思

考產品佈局以開拓邏輯產品作為分散產業風險的

策略為佳

5-9-2 奇夢達重整 全球裁員三千人

德國 DRAM 大廠 Qimonda 宣佈全球重整計

劃除了將所持有的 356華亞科技持股售予美國

DRAM廠Micron也將全球裁員 3000名員工2009

年 1 月時關閉位於美國 Richmond 的 8 吋廠以及

在 2009年 3月前關閉位於德國Dresden的後段封測

及模組廠另外Qimonda 財務長 Michael Majerus

也宣佈辭職一直被市場分析師認為有資金不足風

險的 Qimonda昨日出售手中持有的華亞科技股權

予美光拿到了 4 億美元的資金正好可再撐一陣

子而 Qimonda 也宣佈全球重整計劃希望完成後

每年省下 45 億歐元的費用成本未來奇夢達將

全更專注在高毛利率的繪圖卡用 GDDR遊戲機及

行動通訊產品使用的利基型 DRAM 等市場降低

集中在標準型 DRAM 市場的風險

從 Qimonda 全球裁員人數高達三千人以及賣

出 Inotera 股權給美國 Micron 這兩個事件來看幾

乎可確定 Qimonda 短期內將淡出標準型 DRAM 市

場並針對公司的產品線及未來定位做進一步的安

排Qimonda 一度位居全球第二大的 DRAM 公司

最後卻因技術發展方向的失誤以及 12 吋晶圓廠

先進製程產能的不足而敗下陣來對台灣的 DRAM

廠商而言是很重要的一個參考案例展望未來

Qimonda 在資金技術12 吋晶圓廠產能等等相

較於美日韓等公司的差距已逐漸拉大在可預

見的未來Qimonda 要重回標準型 DRAM 市場競

爭核心已不可能全球 DRAM 品牌市場將由美

日韓所主導台灣則扮演 DRAM 的重要製造角

色

5-9-3 AMD 組建新合資企業轉移 12 億美元債務

AMD 宣佈計畫分離其製造業務並與阿聯酋阿

布 達 比政 府的 先 進技 術投 資 公司 (Advanced

Technology Investment CoATIC)攜手成立一家

新的合資企業AMD 在一份聲明中表示雙方聯

手後 AMD 將擁有新合資公司 444的股份ATIC

則持有剩餘的 556雙方將在合資企業的董事會

中獲得相同席位

AMD 將為新合資企業提供先進的生產設備

包括位於德國德勒斯頓的兩座晶片製造工廠以及

相關資產和知識產權ATIC 則將向新合資企業注

入 21 億美元其中 14 億美元為直接投資剩餘資

金將用於收購合資企業股份ATIC 還將在未來 5

年內對合資企業投資 36 億至 60 億美元

AMD 在這過程中可說是佔了許多的好處除了

確保將製造業務分割後短期內仍能以較少的代價

獲得新合資公司的產能支援外也能拋開 12 億美

元的債務以及新的合資公司所要投資的產能更新

或擴充的資金壓力而將更多的資金及資源投入在

下一代 IC 產品的開發某種程度上AMD 的作法

很類似售出資產後回租的方式透過這種安排

AMD 得以抬高公司技術研發經費佔營收規模的比

重而能夠以較小的公司規模與全球 CPU 巨擘 Intel

持續在主流的 CPU 市場上展開競爭

六光子晶體在半導體的原理及應用 李韋廷

6-1 序

1948 年美國貝爾實驗室的三位傑出科學

家W SchokleyJ BardeenWH Brattain 發明了

雙極電晶體（Bipolar transistor）世界開始邁入半

導體的世紀在這電子和資訊工業發達的時代出了

許多優秀的科學家而最為人知的應該是 Gordon

Earle Moore（Intel 的創始人之一）Moorersquos Law

引起了熱烈討論半導體的發展是否如他所預言一

般

時間證明了一切現在的半導體蝕刻從

95nm65nm45nm 到 32nmTop-down 的技術逐

漸遇到瓶頸科學家們不斷的研究新的技術希望

能做的更小更快耗能更少的半導體而光晶正

好滿足了此需求

6-2 光子晶體介紹

光子晶體在 1987 年才由科學家正式的給予

此一名稱但在自然中早存在這種性質的物質盛

產於澳洲的寶石蛋白石（圖一）即為一例

圖一

在生物界中也不乏光子晶體的蹤跡以花叢

中翩翩起舞的蝴蝶（圖二-左）為例其色彩斑斕的

翅膀也是拜光子晶體所賜

圖二

而這些色彩繽紛的外觀和色彩與色素無關

倒底光子晶體是如何產生這些斑斕的色彩讓我們

來一窺就盡

晶體（如半導體）當中由於電子受到晶格

的周期性位勢（periodic potential）散色部份波段

會因破壞性干涉形成能階（energy gap）導製電子

的色散關係（dispersion relation）程帶狀分佈這

是眾所皆知的電子能帶結構（ electron band

structure）類似現象也存在於光子系統中在介電

物質其係數呈週期性排列的三維介電材料中電磁

波經介電函數散射後某些波段的電磁波強度會因

破壞性干涉而呈指數衰減光便無法在系統內傳

遞相當於在頻譜上形成能階於是色散關係也具

有帶狀結構此即所謂光子能帶結構（photonic band

structures）當介電物質具有光子能帶結構時就稱

為光能階系統（photonic band gap system簡稱 PBG

系統）或簡稱光子晶體（photonic crystal）光子晶

體是能對光作出反應的特殊晶格而這些晶格有著

規律的排列緊密的結構（圖二-右）當光照射在

光子晶體上時因為受到光子能帶結構的影響部

份波長受到破壞性的干涉無法傳遞產生不同的顏

色這一類影響光子運動的光學結構類似於半導

體晶體對電子的影響經由多次的研究與嘗試終

於製造出人工的光子晶體利用它類似半導體的行

為應用在許多新的半導體元件上如光纖光電

算機等將電子的世代向光子世代邁進

6-3 原理

Photonic Band Gap（PBG）

光能階是來自電子能階（electron band）不連續的

概念如同電子在有歸律的單晶之中X-ray 對其

繞射所產生的影響建構光子能階時也是運用相

同的道理在整齊的 regular crystal 中晶格對光的

影響

原理公式推導利用一維的 Maxwell equation

1

(r) H r

w2

c2 H r

將這一方程式想成是介電係數所產生的 boundary

condition限制電磁波中磁場的行為把這影響寫

成 operator

1

r

換成 bra-cat 的形式

Q H r E f H r 再轉成 Energy equation

E f H r Q H r H r H r

可由上束公式推出能量的不連續性

從電子能階的圖進一步由公式推導至光子晶體的

結果可以發現在 Oscilation potential 圖中有相同

的結果能量會出現不連續

將這一連串不連續的圖譜程現如下

在不連續處就是所謂的 photonic band

gap不同於 electron band gap 的是photonic bad gap

是一 forbidden gap 即光無法通過利用此一原理

無法通過的波長會以其互補色的顏色出現這就是

為什麼光子晶體會有這樣多變的色彩

6-4 製作

光子晶體的製作是非常困難的在科技如此

發達的現在仍然沒有一可量產的製作流程只能

說大自然的鬼斧神工實在令人讚嘆不過經過科

學家的努力人功晶體的製作也有大幅度的進步

除了原有應用在二維晶體的 top-down 蝕刻技術也

研究出三維方向中 button-up 的自組裝技術下圖是

幾種常見的製作方法

以三維晶體為例共有下列幾種的製造方法

過濾離心真空自然乾燥再經過高溫段燒使

晶體因高溫熔融後結構更加堅固

其中自然乾燥和過濾是最常見的作法

6-4-1 自然乾燥法

利用勻像的溶液粒子分佈均勻靜置 3~4 天慢慢

沉澱所產生

均勻混合粒子溶液

靜置等待沉澱

理想的排列狀況

SEM

6-4-2 過濾法

利用抽氣過濾的方法快速的將液體抽乾在

抽乾的同時隨著水流的向下粒子在底部排列

在排列整齊後經過段燒使得粒子排列更堅固

二維晶體主要使用光蝕刻法可以利用光罩的設

計達到光波導的效果讓晶體的排列更整齊晶格

更小

運用以上的製作方法將作出來的光子晶體依照

其物理性質應用在半導體之中

6-5 應用

蝕刻出來的二維光子晶體具有共振性對光

波有一定的選擇性也就是上述原理所說的 PBG

因此可利用將特定波長的光子濾出並轉向做為光

電儀器的訊號傳遞

若將多種不同粒徑大小的光子晶體合在一

起作成一多光子晶體晶格的積體材料加上晶體

的化學性質例如利用偏壓產生振動使晶格結構

改變讓選擇性改變在 detector 端會因為所接受

到的波長不同有不同的訊號產生就好像半導體電

子訊號的產生製造出機械語言 0101 的效果如

此一來便可應用在電子儀器上

但光子晶體通常是使用非導體的材料如二

氧化矽或聚合物的分子球化學性質穩定和物理性

質結構整齊所以大多不易受到酸鹼或外力的影

響在訊號的控制上有不小的困難為了解決這樣

的問題化學家便把半導體材料和有機化合物參雜

至其中

最常見的半導體材料參雜是用 CdSe製作技

術是利用光子晶體的粒子做為模板常用的是

Polystyrene sphere將具有 Cd2+Se2+的離溶液加

入其中以電度的方式將 CdSe 填滿粒子的空隙

在用有機溶液將粒子洗去剩下 CdSe 和之前粒子

所佔的空間如下圖所示

將溶液填入

電度移除粒子

光晶形成

SEM

這一類的光子晶體稱做逆光晶其原理與

光子晶體相同可用半導體偏壓的性質改變晶體

的結構控製訊號的傳遞

另一類的光子晶體是將有機化合物 coating在

粒子的表面通常是由小粒子一層一層 coating讓

粒子越長越大再做沉澱如下圖

利用有機合成的方法step by step合成出粒

徑大小一至的球狀粒子其中粒徑的大小一致性很

重要是能否形成光子晶體的關鍵再 coating 有

機物上去靜置乾燥待液體除去後就完成了

這一類光子晶體通常以其化性為控製因

素可以用酸鹼光電控制而較令人值得討論研

究的範圍是在有機物具 photo sensitive便可用光子

來做為控制的開關達到完全的光積體材料再來是

有機物的光子晶體可運用在生物上利用生物體中

的酵素或是特定的環境做醫療的應用也依靠

分子的作用力在溶液中形成光子晶體利用化學家

的知識將光子晶體運用在各方面

現在光子晶體應用在半導體上仍處於剛起

步的狀態市面上較常見的半導體應用於大型的光

電算機其運算速度都較傳統的電腦快耗能也較

少大幅度降低訊號延遲在其它方面的應用有光

纖傳輸優點在於低耗能無訊號延遲可傳輸高

功率雷射在大角度的訊號流失低透鏡以光子

晶體做成的透鏡具備的優點有平面易製作消散

波可同時聚集沒有像差沒有成像極限在微波領

域利用光子晶體的特性可濾掉一些電磁波做

為輻射的防護避免病變也可用在微波天線的基

底減少微波吸收發熱降低發射器的損耗由上

面眾多的應用可以發現光子晶體不斷的出現在我

們生活當中逐漸取代舊的半導體材料將電子的

世代轉入光子的世紀讓我們靜靜期待光子晶體在

未來的發展

七有機半導體 鄭名宏

7-1 前言

有機半導體(organic semiconductors)是指任何

擁有半導體性值的有機物質自從科學家在 1948

發現苯二甲藍素 (phthlo cyanine)的導電性後正式

開始了研究有機半導體逐步解明有機結晶的電子

狀態隨著研究發展現在有機半導體已廣泛應用

在各種領域之中以下將介紹有機半導體的簡史及

特色再介紹有機發光半導體(OLED)有機薄膜電

晶體(OTFT)高分子有機太陽能電池等三個有機半

導體上熱門且具有潛力的領域

7-2 發展歷史

1977 年日本白川英樹(Hideki Shirakawa)教授

發表的氧化與碘摻雜聚乙炔(polyacetylene)的高導

電性發現透過摻雜的方式可以讓聚乙炔的導電

性提高12個數量級成為導體而另一方面由美

國賓州大學物理系Alan J Heeger與化學系Alan G

MacDiarmid在1974年發表的有機電子元件使用古

典的電子傳導理論解釋這些有機物質的導電率他

們三人的研究開啟了近代十多年來有機導電分子

等的研究開發為了表揚他們在導電高分子的發現

與發展他們三人也在2000年共同獲得了諾貝爾獎

化學獎

雖然有機半導體確實可以克服很多無機半導

體的不足但由於有機半導體先天對於金屬不穩

定低載子移動率(carrier mobility)以及有機材料與

電子元件難以整合等問題讓研究上碰到瓶頸有

機半導體之主動電子元件(有機發光二極體有機太

陽能電池及有機薄膜電晶體)在研發上一直無法突

破這種情形直到1987年美國科達公司的鄧青雲博

士等人利用類似PN接面的雙層有機結構製作出第

一個低電壓高效率的有機發光二極體克服了上

述大部分有關有機半導體的缺點鄧博士所使用的

有機材料的個別分子單元包含了以共價鍵結合的

約30~40個原子以這樣的有機材料所構成的有機

發光二極體被稱作小分子OLED在1990年英國劍

橋大學的研究人員利用有機高分子材料 poly

para-(phenylene vinylene)(PPV)製作出類似的電激

發光的元件此種有機發光二極體被稱作高分子

LED (Polymer Light-Emitting Diode PLED)自此

不但觸發了研究學者對OLEDPLED之密集的研

究也引起業界對OLEDPLED平面顯示器的興趣

有機半導體當今被廣泛使用於光電元件中例

如有機發光二極體(organic light-emitting diodes

OLED)有機太陽能電池(organic solar cells)有機

薄膜電晶體（Organic thin film transistorsOTFT）

的電化學電晶體(electrochemical transistors)與生物

探測的應用等

7-3 有機半導體的特色

有機半導體的優勢有可人工調節其物性有

無機化合物金屬所無的新物性亦即容易混合分

散於高分子化合物中又因可作成高分子狀態可

具備塑膠獨特的加工性成形性大量生產性經

濟性改變種類添加物等而可廣範圍改變特性

但其缺點是載子(擔體)的移動度小於無機半導

體因而不宜利用移動度有關的電氣物性實際

上最近實用化的塑膠熱阻體有機光半導體都是

高分子半導體利用其本身的電阻變化

7-4 有機發光半導體

有機發光二極體（ Organic Light-Emitting

Diode簡稱OLED）與 TFT-LCD「薄膜電晶體液

晶顯示器」（Thin Film Transistor Liquid Crystal

Display）是不同類型的產品部分國外又稱 OLED

為有機電激發光顯示（Organic Electroluminesence

Display OELD）

7-4-1 OLED 的結構與原理

OLED 的基本結構是由一薄而透明具半導體特

性之銦錫氧化物(ITO)與電力之正極相連再加上

另一個金屬陰極包成如三明治的結構整個 結

構層中包括了電洞傳輸層(HTL)發光層(EL)與

電子傳輸層(ETL)當加入一外加偏壓使電子電

洞分別經過電洞傳輸層（Hole Transport Layer）與

電子傳輸層（Electron Transport Layer）後進入一

具有發光特性的有機物質在其內發生再結合時

形成一激發光子（exciton）後再將能量釋放出

來而回到基態（ground state）而這些釋放出來的

能量當中通常由於發光材料的選擇及電子自旋的

特性（spin state characteristics）只有 25（單重態

到基態singlet to ground state）的能量可以用來當

作OLED的發光其餘的 75（三重態到基態triplet

to ground state）是以磷光或熱的形式回歸到基態

由於所選擇的發光材料能階（band gap）的不同

可使這 25的能量以不同顏色的光的形式釋放出

來而形成 OLED 的發光現象

7-4-2 OLED 特點

高分子 OLED 元件的研究與發展便迅速成

長有機發光元件的相關領域得以快速進展得力

於它的元件特性及製作方式十分適合平面顯示器

的應用其特點如下

1不需晶態基板顯示器大小不受限制

2低溫製程可製作在任何基板上

3快速反應時間（ltμs）

4RGB 元件皆可製作

5低操作電壓

6高流明效率

7高亮度高對比

8自發光廣視角

和其他自發光顯示器技術如 CRTTFEL

PDP 及 FED 等相比較OLED 的操作電壓僅需數

伏特至十幾伏特明顯地遠低於其他技術（gt100

僅 2008 年半導體設備支出會減少 306達到 311

億美元而且在 2009 年還會進一步減少 317下

滑至 212 億美元Gartner 半導體製造部副總裁

KlausRinnen 表示全球經濟衰退對不景氣的半導

體和設備產業產生了巨大的影響Rinnen 指出目

前所有領域的零組件製造商包括 NANDFlash 和

DRAM 產業都開始採取減產措施並且關閉成本效

率較低的工廠而在晶圓廠部分也開始減緩產

能降低資本支出並且積極研發新技術

設備支出統計預估圖

Gartner 預計2008 年晶圓廠設備支出會減少

3092009 年則將減少 331而在光蝕刻設備

上2008 年支出會減少 22至 2009 年時還將

進一步減少 38主要原因是內存製造商減緩採用

沉浸式技術的時程並延長舊設備的使用期限此

外報告還指出 2009 年全球封裝設備支出也將下

滑 30左右自動測試設備市場也同樣會衰退近

20銷售額甚至會下跌至 20 億美元以下

在晶圓產能方面其增長率也創下自 2002 年

以來的新低據國際半導體設備材料產業協會

(SEMI)公佈的最新《全球晶圓廠預測》報告指出

全球晶圓廠產能在 2008 年僅增長了 5(每月約共

540 萬片)預計 2009 年也僅有 4~5(每月約 610

萬片)的增長在 2003~2007 年增長程度都是兩位

數面對全球性的經濟衰退過度供給以及內存

平均售價跌落許多內存公司選擇關閉 8 英吋工廠

因應

另外一個問題是消費者買氣低迷SIA 總裁

GeorgeScalise 表示由於半導體產業的銷售收入增

長與消費者購買電子產品有密不可分的關係因

此幾乎全球半導體銷售收入有一半是來自於消費

者的購買因此當景氣衰退時對半導體業者將

產生直接衝擊

SIA 引述德意志銀行的一篇報告表示2009 年

全球 PC 銷售將會下降 5手機則預計會下降

64而這兩個市場便佔據全球半導體消費的 60

左右因此2009 年半導體業的衰退將在所難免

5-7-3 全球半導體產業的前景

台積電董事長張忠謀昨在二月二十三日指

出全球半導體業已經觸底但是未來將呈現緩慢

復甦的「L 型反轉」顯示產業景氣仍不是太樂觀

而麥格理全球半導體團隊也同時下修了今年

度半導體營收預測從原本的1951億美元降至1875

億美元年減達到 246

麥格理指出儘管庫存可望於第 2 季就調整至

健康水位並帶動庫存回補急單及營收成長動能

但整體而言美國的終端需求仍然非常疲弱因此

到今年下半年營收都還會有再下修的風險

而全球晶片產能過剩的問題仍將持續至 2009

年全年

麥格理指出目前許多大廠都採取刪減資本支

出的策略以維持足夠的現金流量和美化資產負債

表但卻限制了整體產業的發展

半導體相關族群的股價自去年 12 月以來已經

出現了幾波反彈麥格理指出回顧 2001 年科技

泡沫化時半導體股價也曾出現毫無基本面支持的

「無基之彈」提前反映了市場對於產業景氣回春

的過度樂觀但實際上疲弱的終求終將嚴重限制

產業的成長動能預估 2010 年以前股價還是很

難維持穩定向上趨勢

5-7-4 全球不景氣與半導體

根據各經濟研究機構下修未來景氣來看2007

年全球半導體成長率為 32達 2556 億美元而

這與全球國內生長毛額(GDP)成長率有密切的連動

關係IMF 下修 2009 年全球 GDP 成長率為 22

全球半導體產值呈現-61成長率經濟風暴的擴

散以及電子產品需求下滑造成市場需求疲軟也

間接影響了半導體產業足見半導體寒冬的降臨

而唯一在半導體產業較有成長的國家則為新興國

家主因在於低價消費性電子產品的需求較高

全球半導體產業成長率與 GDP 成長率關係圖

5-8 台灣半導體產業前景與碰到的問題

5-8-1 台灣半導體產業的前景

近年來台灣半導體設備廠商希望擺脫代理

代工傳統但僅以發展中低階產品為主未能建立

國際品牌地位較為成功廠商屬漢民微測及漢辰科

技等切入缺陷量測離子佈值等產品並推出自

有品牌已順利銷售到台積電聯電茂德等業者

也外銷到北美新加坡等地但金額及數量仍未具

備國際實力

半導體主要關鍵設備如光阻塗佈設備微影設

備等都仰賴進口目前上游設備外商在台雖設有公

司但大都屬於技術服務用途初步方式應與上游

設備廠商合作在台共同投資以研發關鍵零組件並

積極引進關鍵技術如氣體控制系統晶圓傳輸機

構製程反應真空系統技術等

在半導體產業競爭激烈及投資設備昂貴等因

素下台灣半導體業者均面臨成本競爭的壓力國

外設備業者若能來台投資就近支援提供此產業缺

口之服務將可共創互利共榮的產業合作關係

展望 2009 年在全球經濟景氣短期仍難見好

轉的情況下全球 IC 產業都將呈現較 2008 年更加

衰退之情況然而全球 IC 產業景氣預估將在 2009

年下半年落底並且在 2010 年呈現逐漸復甦之情

況面對此景氣的寒冬預估 2009 年台灣 IC 產業

產值僅達 9845 億元較 2008 年衰退 269其中

設計業產值為 3030 億新台幣較 2008 年衰退

192製造業為 4350 億新台幣較 2008 年衰退

335封裝業為 1680 億新台幣較 2008 年衰退

242測試業為 785 億新台幣較 2008 年衰退

187

5-8-2 台灣半導體產業受到經濟風暴的影響

2008 年下半年金融巨擘陸續倒閉危及全球經

濟而半導體產業也受到極大衝擊2008 年下半年

開始由於經濟局勢反映了需求面的降溫業者紛

紛下修 2008 年獲利以及營收展望而台灣半導體

產業在此波景氣衰退下的景況與因應之道更加引

發關注

台灣半導體產業供應鏈之缺口在台灣半導體

相關設備零組件等的自製率甚低且缺乏取得設

備規格需求的管道設備開發和製程技術掌握度

低經營規模較海外廠商小全面品質管理有差距

展望 2009 年在全球經濟景氣短期仍難見好

轉的情況下全球 IC 產業都將呈現較 2008 年更加

衰退之情況然而全球 IC 產業景氣預估將在 2009

年下半年落底並且在 2010 年呈現逐漸復甦之情

況面對此景氣的寒冬預估 2009 年台灣 IC 產業

產值僅達 9845 億元較 2008 年衰退 269其中

設計業產值為 3030 億新台幣較 2008 年衰退

192製造業為 4350 億新台幣較 2008 年衰退

335封裝業為 1680 億新台幣較 2008 年衰退

242測試業為 785 億新台幣較 2008 年衰退

187

2008 年台灣 IC 產業產值統計與預估

5-9 最新半導體產業事件

5-9-1 DRAM 產業景氣冰風暴下游封測廠也受凍

DRAM 廠如力晶ElpidaHynix茂德與華亞

等紛紛宣佈減產減產達 13再次反映出 DRAM

市場環境的惡劣在 DRAM 封測廠的產能利用率

方面隨著 DRAM 市場的不景氣滿載的情況已

不復見以封裝與測試來分析今年以來平均封裝

產能已經下滑了約 30左右測試產能更下滑了約

40此外 DRAM 廠在九月陸續減產之後預估整

體顆粒產出量縮會在明年一月陸續浮現也將嚴重

擠壓到封測廠的封裝與測試產能的利用率

DRAM 產業為支撐台灣半導體兆元產業半壁

江山的主要推手也是連帶帶動台灣下游封測廠商

業務的重要功臣但 DRAM 具標準型產品特型

會隨著景氣有大起大落的現象也嚴重影響以

DRAM 封測業務為主的部份後段廠商面對美國次

貸風暴的陰影下業者當務之急為盡量爭取非

DRAM 產品如邏輯Flash 等來填補產能並保持現

金水位但長遠來看下游封測廠仍然必須審慎思

考產品佈局以開拓邏輯產品作為分散產業風險的

策略為佳

5-9-2 奇夢達重整 全球裁員三千人

德國 DRAM 大廠 Qimonda 宣佈全球重整計

劃除了將所持有的 356華亞科技持股售予美國

DRAM廠Micron也將全球裁員 3000名員工2009

年 1 月時關閉位於美國 Richmond 的 8 吋廠以及

在 2009年 3月前關閉位於德國Dresden的後段封測

及模組廠另外Qimonda 財務長 Michael Majerus

也宣佈辭職一直被市場分析師認為有資金不足風

險的 Qimonda昨日出售手中持有的華亞科技股權

予美光拿到了 4 億美元的資金正好可再撐一陣

子而 Qimonda 也宣佈全球重整計劃希望完成後

每年省下 45 億歐元的費用成本未來奇夢達將

全更專注在高毛利率的繪圖卡用 GDDR遊戲機及

行動通訊產品使用的利基型 DRAM 等市場降低

集中在標準型 DRAM 市場的風險

從 Qimonda 全球裁員人數高達三千人以及賣

出 Inotera 股權給美國 Micron 這兩個事件來看幾

乎可確定 Qimonda 短期內將淡出標準型 DRAM 市

場並針對公司的產品線及未來定位做進一步的安

排Qimonda 一度位居全球第二大的 DRAM 公司

最後卻因技術發展方向的失誤以及 12 吋晶圓廠

先進製程產能的不足而敗下陣來對台灣的 DRAM

廠商而言是很重要的一個參考案例展望未來

Qimonda 在資金技術12 吋晶圓廠產能等等相

較於美日韓等公司的差距已逐漸拉大在可預

見的未來Qimonda 要重回標準型 DRAM 市場競

爭核心已不可能全球 DRAM 品牌市場將由美

日韓所主導台灣則扮演 DRAM 的重要製造角

色

5-9-3 AMD 組建新合資企業轉移 12 億美元債務

AMD 宣佈計畫分離其製造業務並與阿聯酋阿

布 達 比政 府的 先 進技 術投 資 公司 (Advanced

Technology Investment CoATIC)攜手成立一家

新的合資企業AMD 在一份聲明中表示雙方聯

手後 AMD 將擁有新合資公司 444的股份ATIC

則持有剩餘的 556雙方將在合資企業的董事會

中獲得相同席位

AMD 將為新合資企業提供先進的生產設備

包括位於德國德勒斯頓的兩座晶片製造工廠以及

相關資產和知識產權ATIC 則將向新合資企業注

入 21 億美元其中 14 億美元為直接投資剩餘資

金將用於收購合資企業股份ATIC 還將在未來 5

年內對合資企業投資 36 億至 60 億美元

AMD 在這過程中可說是佔了許多的好處除了

確保將製造業務分割後短期內仍能以較少的代價

獲得新合資公司的產能支援外也能拋開 12 億美

元的債務以及新的合資公司所要投資的產能更新

或擴充的資金壓力而將更多的資金及資源投入在

下一代 IC 產品的開發某種程度上AMD 的作法

很類似售出資產後回租的方式透過這種安排

AMD 得以抬高公司技術研發經費佔營收規模的比

重而能夠以較小的公司規模與全球 CPU 巨擘 Intel

持續在主流的 CPU 市場上展開競爭

六光子晶體在半導體的原理及應用 李韋廷

6-1 序

1948 年美國貝爾實驗室的三位傑出科學

家W SchokleyJ BardeenWH Brattain 發明了

雙極電晶體（Bipolar transistor）世界開始邁入半

導體的世紀在這電子和資訊工業發達的時代出了

許多優秀的科學家而最為人知的應該是 Gordon

Earle Moore（Intel 的創始人之一）Moorersquos Law

引起了熱烈討論半導體的發展是否如他所預言一

般

時間證明了一切現在的半導體蝕刻從

95nm65nm45nm 到 32nmTop-down 的技術逐

漸遇到瓶頸科學家們不斷的研究新的技術希望

能做的更小更快耗能更少的半導體而光晶正

好滿足了此需求

6-2 光子晶體介紹

光子晶體在 1987 年才由科學家正式的給予

此一名稱但在自然中早存在這種性質的物質盛

產於澳洲的寶石蛋白石（圖一）即為一例

圖一

在生物界中也不乏光子晶體的蹤跡以花叢

中翩翩起舞的蝴蝶（圖二-左）為例其色彩斑斕的

翅膀也是拜光子晶體所賜

圖二

而這些色彩繽紛的外觀和色彩與色素無關

倒底光子晶體是如何產生這些斑斕的色彩讓我們

來一窺就盡

晶體（如半導體）當中由於電子受到晶格

的周期性位勢（periodic potential）散色部份波段

會因破壞性干涉形成能階（energy gap）導製電子

的色散關係（dispersion relation）程帶狀分佈這

是眾所皆知的電子能帶結構（ electron band

structure）類似現象也存在於光子系統中在介電

物質其係數呈週期性排列的三維介電材料中電磁

波經介電函數散射後某些波段的電磁波強度會因

破壞性干涉而呈指數衰減光便無法在系統內傳

遞相當於在頻譜上形成能階於是色散關係也具

有帶狀結構此即所謂光子能帶結構（photonic band

structures）當介電物質具有光子能帶結構時就稱

為光能階系統（photonic band gap system簡稱 PBG

系統）或簡稱光子晶體（photonic crystal）光子晶

體是能對光作出反應的特殊晶格而這些晶格有著

規律的排列緊密的結構（圖二-右）當光照射在

光子晶體上時因為受到光子能帶結構的影響部

份波長受到破壞性的干涉無法傳遞產生不同的顏

色這一類影響光子運動的光學結構類似於半導

體晶體對電子的影響經由多次的研究與嘗試終

於製造出人工的光子晶體利用它類似半導體的行

為應用在許多新的半導體元件上如光纖光電

算機等將電子的世代向光子世代邁進

6-3 原理

Photonic Band Gap（PBG）

光能階是來自電子能階（electron band）不連續的

概念如同電子在有歸律的單晶之中X-ray 對其

繞射所產生的影響建構光子能階時也是運用相

同的道理在整齊的 regular crystal 中晶格對光的

影響

原理公式推導利用一維的 Maxwell equation

1

(r) H r

w2

c2 H r

將這一方程式想成是介電係數所產生的 boundary

condition限制電磁波中磁場的行為把這影響寫

成 operator

1

r

換成 bra-cat 的形式

Q H r E f H r 再轉成 Energy equation

E f H r Q H r H r H r

可由上束公式推出能量的不連續性

從電子能階的圖進一步由公式推導至光子晶體的

結果可以發現在 Oscilation potential 圖中有相同

的結果能量會出現不連續

將這一連串不連續的圖譜程現如下

在不連續處就是所謂的 photonic band

gap不同於 electron band gap 的是photonic bad gap

是一 forbidden gap 即光無法通過利用此一原理

無法通過的波長會以其互補色的顏色出現這就是

為什麼光子晶體會有這樣多變的色彩

6-4 製作

光子晶體的製作是非常困難的在科技如此

發達的現在仍然沒有一可量產的製作流程只能

說大自然的鬼斧神工實在令人讚嘆不過經過科

學家的努力人功晶體的製作也有大幅度的進步

除了原有應用在二維晶體的 top-down 蝕刻技術也

研究出三維方向中 button-up 的自組裝技術下圖是

幾種常見的製作方法

以三維晶體為例共有下列幾種的製造方法

過濾離心真空自然乾燥再經過高溫段燒使

晶體因高溫熔融後結構更加堅固

其中自然乾燥和過濾是最常見的作法

6-4-1 自然乾燥法

利用勻像的溶液粒子分佈均勻靜置 3~4 天慢慢

沉澱所產生

均勻混合粒子溶液

靜置等待沉澱

理想的排列狀況

SEM

6-4-2 過濾法

利用抽氣過濾的方法快速的將液體抽乾在

抽乾的同時隨著水流的向下粒子在底部排列

在排列整齊後經過段燒使得粒子排列更堅固

二維晶體主要使用光蝕刻法可以利用光罩的設

計達到光波導的效果讓晶體的排列更整齊晶格

更小

運用以上的製作方法將作出來的光子晶體依照

其物理性質應用在半導體之中

6-5 應用

蝕刻出來的二維光子晶體具有共振性對光

波有一定的選擇性也就是上述原理所說的 PBG

因此可利用將特定波長的光子濾出並轉向做為光

電儀器的訊號傳遞

若將多種不同粒徑大小的光子晶體合在一

起作成一多光子晶體晶格的積體材料加上晶體

的化學性質例如利用偏壓產生振動使晶格結構

改變讓選擇性改變在 detector 端會因為所接受

到的波長不同有不同的訊號產生就好像半導體電

子訊號的產生製造出機械語言 0101 的效果如

此一來便可應用在電子儀器上

但光子晶體通常是使用非導體的材料如二

氧化矽或聚合物的分子球化學性質穩定和物理性

質結構整齊所以大多不易受到酸鹼或外力的影

響在訊號的控制上有不小的困難為了解決這樣

的問題化學家便把半導體材料和有機化合物參雜

至其中

最常見的半導體材料參雜是用 CdSe製作技

術是利用光子晶體的粒子做為模板常用的是

Polystyrene sphere將具有 Cd2+Se2+的離溶液加

入其中以電度的方式將 CdSe 填滿粒子的空隙

在用有機溶液將粒子洗去剩下 CdSe 和之前粒子

所佔的空間如下圖所示

將溶液填入

電度移除粒子

光晶形成

SEM

這一類的光子晶體稱做逆光晶其原理與

光子晶體相同可用半導體偏壓的性質改變晶體

的結構控製訊號的傳遞

另一類的光子晶體是將有機化合物 coating在

粒子的表面通常是由小粒子一層一層 coating讓

粒子越長越大再做沉澱如下圖

利用有機合成的方法step by step合成出粒

徑大小一至的球狀粒子其中粒徑的大小一致性很

重要是能否形成光子晶體的關鍵再 coating 有

機物上去靜置乾燥待液體除去後就完成了

這一類光子晶體通常以其化性為控製因

素可以用酸鹼光電控制而較令人值得討論研

究的範圍是在有機物具 photo sensitive便可用光子

來做為控制的開關達到完全的光積體材料再來是

有機物的光子晶體可運用在生物上利用生物體中

的酵素或是特定的環境做醫療的應用也依靠

分子的作用力在溶液中形成光子晶體利用化學家

的知識將光子晶體運用在各方面

現在光子晶體應用在半導體上仍處於剛起

步的狀態市面上較常見的半導體應用於大型的光

電算機其運算速度都較傳統的電腦快耗能也較

少大幅度降低訊號延遲在其它方面的應用有光

纖傳輸優點在於低耗能無訊號延遲可傳輸高

功率雷射在大角度的訊號流失低透鏡以光子

晶體做成的透鏡具備的優點有平面易製作消散

波可同時聚集沒有像差沒有成像極限在微波領

域利用光子晶體的特性可濾掉一些電磁波做

為輻射的防護避免病變也可用在微波天線的基

底減少微波吸收發熱降低發射器的損耗由上

面眾多的應用可以發現光子晶體不斷的出現在我

們生活當中逐漸取代舊的半導體材料將電子的

世代轉入光子的世紀讓我們靜靜期待光子晶體在

未來的發展

七有機半導體 鄭名宏

7-1 前言

有機半導體(organic semiconductors)是指任何

擁有半導體性值的有機物質自從科學家在 1948

發現苯二甲藍素 (phthlo cyanine)的導電性後正式

開始了研究有機半導體逐步解明有機結晶的電子

狀態隨著研究發展現在有機半導體已廣泛應用

在各種領域之中以下將介紹有機半導體的簡史及

特色再介紹有機發光半導體(OLED)有機薄膜電

晶體(OTFT)高分子有機太陽能電池等三個有機半

導體上熱門且具有潛力的領域

7-2 發展歷史

1977 年日本白川英樹(Hideki Shirakawa)教授

發表的氧化與碘摻雜聚乙炔(polyacetylene)的高導

電性發現透過摻雜的方式可以讓聚乙炔的導電

性提高12個數量級成為導體而另一方面由美

國賓州大學物理系Alan J Heeger與化學系Alan G

MacDiarmid在1974年發表的有機電子元件使用古

典的電子傳導理論解釋這些有機物質的導電率他

們三人的研究開啟了近代十多年來有機導電分子

等的研究開發為了表揚他們在導電高分子的發現

與發展他們三人也在2000年共同獲得了諾貝爾獎

化學獎

雖然有機半導體確實可以克服很多無機半導

體的不足但由於有機半導體先天對於金屬不穩

定低載子移動率(carrier mobility)以及有機材料與

電子元件難以整合等問題讓研究上碰到瓶頸有

機半導體之主動電子元件(有機發光二極體有機太

陽能電池及有機薄膜電晶體)在研發上一直無法突

破這種情形直到1987年美國科達公司的鄧青雲博

士等人利用類似PN接面的雙層有機結構製作出第

一個低電壓高效率的有機發光二極體克服了上

述大部分有關有機半導體的缺點鄧博士所使用的

有機材料的個別分子單元包含了以共價鍵結合的

約30~40個原子以這樣的有機材料所構成的有機

發光二極體被稱作小分子OLED在1990年英國劍

橋大學的研究人員利用有機高分子材料 poly

para-(phenylene vinylene)(PPV)製作出類似的電激

發光的元件此種有機發光二極體被稱作高分子

LED (Polymer Light-Emitting Diode PLED)自此

不但觸發了研究學者對OLEDPLED之密集的研

究也引起業界對OLEDPLED平面顯示器的興趣

有機半導體當今被廣泛使用於光電元件中例

如有機發光二極體(organic light-emitting diodes

OLED)有機太陽能電池(organic solar cells)有機

薄膜電晶體（Organic thin film transistorsOTFT）

的電化學電晶體(electrochemical transistors)與生物

探測的應用等

7-3 有機半導體的特色

有機半導體的優勢有可人工調節其物性有

無機化合物金屬所無的新物性亦即容易混合分

散於高分子化合物中又因可作成高分子狀態可

具備塑膠獨特的加工性成形性大量生產性經

濟性改變種類添加物等而可廣範圍改變特性

但其缺點是載子(擔體)的移動度小於無機半導

體因而不宜利用移動度有關的電氣物性實際

上最近實用化的塑膠熱阻體有機光半導體都是

高分子半導體利用其本身的電阻變化

7-4 有機發光半導體

有機發光二極體（ Organic Light-Emitting

Diode簡稱OLED）與 TFT-LCD「薄膜電晶體液

晶顯示器」（Thin Film Transistor Liquid Crystal

Display）是不同類型的產品部分國外又稱 OLED

為有機電激發光顯示（Organic Electroluminesence

Display OELD）

7-4-1 OLED 的結構與原理

OLED 的基本結構是由一薄而透明具半導體特

性之銦錫氧化物(ITO)與電力之正極相連再加上

另一個金屬陰極包成如三明治的結構整個 結

構層中包括了電洞傳輸層(HTL)發光層(EL)與

電子傳輸層(ETL)當加入一外加偏壓使電子電

洞分別經過電洞傳輸層（Hole Transport Layer）與

電子傳輸層（Electron Transport Layer）後進入一

具有發光特性的有機物質在其內發生再結合時

形成一激發光子（exciton）後再將能量釋放出

來而回到基態（ground state）而這些釋放出來的

能量當中通常由於發光材料的選擇及電子自旋的

特性（spin state characteristics）只有 25（單重態

到基態singlet to ground state）的能量可以用來當

作OLED的發光其餘的 75（三重態到基態triplet

to ground state）是以磷光或熱的形式回歸到基態

由於所選擇的發光材料能階（band gap）的不同

可使這 25的能量以不同顏色的光的形式釋放出

來而形成 OLED 的發光現象

7-4-2 OLED 特點

高分子 OLED 元件的研究與發展便迅速成

長有機發光元件的相關領域得以快速進展得力

於它的元件特性及製作方式十分適合平面顯示器

的應用其特點如下

1不需晶態基板顯示器大小不受限制

2低溫製程可製作在任何基板上

3快速反應時間（ltμs）

4RGB 元件皆可製作

5低操作電壓

6高流明效率

7高亮度高對比

8自發光廣視角

和其他自發光顯示器技術如 CRTTFEL

PDP 及 FED 等相比較OLED 的操作電壓僅需數

伏特至十幾伏特明顯地遠低於其他技術（gt100

而唯一在半導體產業較有成長的國家則為新興國

家主因在於低價消費性電子產品的需求較高

全球半導體產業成長率與 GDP 成長率關係圖

5-8 台灣半導體產業前景與碰到的問題

5-8-1 台灣半導體產業的前景

近年來台灣半導體設備廠商希望擺脫代理

代工傳統但僅以發展中低階產品為主未能建立

國際品牌地位較為成功廠商屬漢民微測及漢辰科

技等切入缺陷量測離子佈值等產品並推出自

有品牌已順利銷售到台積電聯電茂德等業者

也外銷到北美新加坡等地但金額及數量仍未具

備國際實力

半導體主要關鍵設備如光阻塗佈設備微影設

備等都仰賴進口目前上游設備外商在台雖設有公

司但大都屬於技術服務用途初步方式應與上游

設備廠商合作在台共同投資以研發關鍵零組件並

積極引進關鍵技術如氣體控制系統晶圓傳輸機

構製程反應真空系統技術等

在半導體產業競爭激烈及投資設備昂貴等因

素下台灣半導體業者均面臨成本競爭的壓力國

外設備業者若能來台投資就近支援提供此產業缺

口之服務將可共創互利共榮的產業合作關係

展望 2009 年在全球經濟景氣短期仍難見好

轉的情況下全球 IC 產業都將呈現較 2008 年更加

衰退之情況然而全球 IC 產業景氣預估將在 2009

年下半年落底並且在 2010 年呈現逐漸復甦之情

況面對此景氣的寒冬預估 2009 年台灣 IC 產業

產值僅達 9845 億元較 2008 年衰退 269其中

設計業產值為 3030 億新台幣較 2008 年衰退

192製造業為 4350 億新台幣較 2008 年衰退

335封裝業為 1680 億新台幣較 2008 年衰退

242測試業為 785 億新台幣較 2008 年衰退

187

5-8-2 台灣半導體產業受到經濟風暴的影響

2008 年下半年金融巨擘陸續倒閉危及全球經

濟而半導體產業也受到極大衝擊2008 年下半年

開始由於經濟局勢反映了需求面的降溫業者紛

紛下修 2008 年獲利以及營收展望而台灣半導體

產業在此波景氣衰退下的景況與因應之道更加引

發關注

台灣半導體產業供應鏈之缺口在台灣半導體

相關設備零組件等的自製率甚低且缺乏取得設

備規格需求的管道設備開發和製程技術掌握度

低經營規模較海外廠商小全面品質管理有差距

展望 2009 年在全球經濟景氣短期仍難見好

轉的情況下全球 IC 產業都將呈現較 2008 年更加

衰退之情況然而全球 IC 產業景氣預估將在 2009

年下半年落底並且在 2010 年呈現逐漸復甦之情

況面對此景氣的寒冬預估 2009 年台灣 IC 產業

產值僅達 9845 億元較 2008 年衰退 269其中

設計業產值為 3030 億新台幣較 2008 年衰退

192製造業為 4350 億新台幣較 2008 年衰退

335封裝業為 1680 億新台幣較 2008 年衰退

242測試業為 785 億新台幣較 2008 年衰退

187

2008 年台灣 IC 產業產值統計與預估

5-9 最新半導體產業事件

5-9-1 DRAM 產業景氣冰風暴下游封測廠也受凍

DRAM 廠如力晶ElpidaHynix茂德與華亞

等紛紛宣佈減產減產達 13再次反映出 DRAM

市場環境的惡劣在 DRAM 封測廠的產能利用率

方面隨著 DRAM 市場的不景氣滿載的情況已

不復見以封裝與測試來分析今年以來平均封裝

產能已經下滑了約 30左右測試產能更下滑了約

40此外 DRAM 廠在九月陸續減產之後預估整

體顆粒產出量縮會在明年一月陸續浮現也將嚴重

擠壓到封測廠的封裝與測試產能的利用率

DRAM 產業為支撐台灣半導體兆元產業半壁

江山的主要推手也是連帶帶動台灣下游封測廠商

業務的重要功臣但 DRAM 具標準型產品特型

會隨著景氣有大起大落的現象也嚴重影響以

DRAM 封測業務為主的部份後段廠商面對美國次

貸風暴的陰影下業者當務之急為盡量爭取非

DRAM 產品如邏輯Flash 等來填補產能並保持現

金水位但長遠來看下游封測廠仍然必須審慎思

考產品佈局以開拓邏輯產品作為分散產業風險的

策略為佳

5-9-2 奇夢達重整 全球裁員三千人

德國 DRAM 大廠 Qimonda 宣佈全球重整計

劃除了將所持有的 356華亞科技持股售予美國

DRAM廠Micron也將全球裁員 3000名員工2009

年 1 月時關閉位於美國 Richmond 的 8 吋廠以及

在 2009年 3月前關閉位於德國Dresden的後段封測

及模組廠另外Qimonda 財務長 Michael Majerus

也宣佈辭職一直被市場分析師認為有資金不足風

險的 Qimonda昨日出售手中持有的華亞科技股權

予美光拿到了 4 億美元的資金正好可再撐一陣

子而 Qimonda 也宣佈全球重整計劃希望完成後

每年省下 45 億歐元的費用成本未來奇夢達將

全更專注在高毛利率的繪圖卡用 GDDR遊戲機及

行動通訊產品使用的利基型 DRAM 等市場降低

集中在標準型 DRAM 市場的風險

從 Qimonda 全球裁員人數高達三千人以及賣

出 Inotera 股權給美國 Micron 這兩個事件來看幾

乎可確定 Qimonda 短期內將淡出標準型 DRAM 市

場並針對公司的產品線及未來定位做進一步的安

排Qimonda 一度位居全球第二大的 DRAM 公司

最後卻因技術發展方向的失誤以及 12 吋晶圓廠

先進製程產能的不足而敗下陣來對台灣的 DRAM

廠商而言是很重要的一個參考案例展望未來

Qimonda 在資金技術12 吋晶圓廠產能等等相

較於美日韓等公司的差距已逐漸拉大在可預

見的未來Qimonda 要重回標準型 DRAM 市場競

爭核心已不可能全球 DRAM 品牌市場將由美

日韓所主導台灣則扮演 DRAM 的重要製造角

色

5-9-3 AMD 組建新合資企業轉移 12 億美元債務

AMD 宣佈計畫分離其製造業務並與阿聯酋阿

布 達 比政 府的 先 進技 術投 資 公司 (Advanced

Technology Investment CoATIC)攜手成立一家

新的合資企業AMD 在一份聲明中表示雙方聯

手後 AMD 將擁有新合資公司 444的股份ATIC

則持有剩餘的 556雙方將在合資企業的董事會

中獲得相同席位

AMD 將為新合資企業提供先進的生產設備

包括位於德國德勒斯頓的兩座晶片製造工廠以及

相關資產和知識產權ATIC 則將向新合資企業注

入 21 億美元其中 14 億美元為直接投資剩餘資

金將用於收購合資企業股份ATIC 還將在未來 5

年內對合資企業投資 36 億至 60 億美元

AMD 在這過程中可說是佔了許多的好處除了

確保將製造業務分割後短期內仍能以較少的代價

獲得新合資公司的產能支援外也能拋開 12 億美

元的債務以及新的合資公司所要投資的產能更新

或擴充的資金壓力而將更多的資金及資源投入在

下一代 IC 產品的開發某種程度上AMD 的作法

很類似售出資產後回租的方式透過這種安排

AMD 得以抬高公司技術研發經費佔營收規模的比

重而能夠以較小的公司規模與全球 CPU 巨擘 Intel

持續在主流的 CPU 市場上展開競爭

六光子晶體在半導體的原理及應用 李韋廷

6-1 序

1948 年美國貝爾實驗室的三位傑出科學

家W SchokleyJ BardeenWH Brattain 發明了

雙極電晶體（Bipolar transistor）世界開始邁入半

導體的世紀在這電子和資訊工業發達的時代出了

許多優秀的科學家而最為人知的應該是 Gordon

Earle Moore（Intel 的創始人之一）Moorersquos Law

引起了熱烈討論半導體的發展是否如他所預言一

般

時間證明了一切現在的半導體蝕刻從

95nm65nm45nm 到 32nmTop-down 的技術逐

漸遇到瓶頸科學家們不斷的研究新的技術希望

能做的更小更快耗能更少的半導體而光晶正

好滿足了此需求

6-2 光子晶體介紹

光子晶體在 1987 年才由科學家正式的給予

此一名稱但在自然中早存在這種性質的物質盛

產於澳洲的寶石蛋白石（圖一）即為一例

圖一

在生物界中也不乏光子晶體的蹤跡以花叢

中翩翩起舞的蝴蝶（圖二-左）為例其色彩斑斕的

翅膀也是拜光子晶體所賜

圖二

而這些色彩繽紛的外觀和色彩與色素無關

倒底光子晶體是如何產生這些斑斕的色彩讓我們

來一窺就盡

晶體（如半導體）當中由於電子受到晶格

的周期性位勢（periodic potential）散色部份波段

會因破壞性干涉形成能階（energy gap）導製電子

的色散關係（dispersion relation）程帶狀分佈這

是眾所皆知的電子能帶結構（ electron band

structure）類似現象也存在於光子系統中在介電

物質其係數呈週期性排列的三維介電材料中電磁

波經介電函數散射後某些波段的電磁波強度會因

破壞性干涉而呈指數衰減光便無法在系統內傳

遞相當於在頻譜上形成能階於是色散關係也具

有帶狀結構此即所謂光子能帶結構（photonic band

structures）當介電物質具有光子能帶結構時就稱

為光能階系統（photonic band gap system簡稱 PBG

系統）或簡稱光子晶體（photonic crystal）光子晶

體是能對光作出反應的特殊晶格而這些晶格有著

規律的排列緊密的結構（圖二-右）當光照射在

光子晶體上時因為受到光子能帶結構的影響部

份波長受到破壞性的干涉無法傳遞產生不同的顏

色這一類影響光子運動的光學結構類似於半導

體晶體對電子的影響經由多次的研究與嘗試終

於製造出人工的光子晶體利用它類似半導體的行

為應用在許多新的半導體元件上如光纖光電

算機等將電子的世代向光子世代邁進

6-3 原理

Photonic Band Gap（PBG）

光能階是來自電子能階（electron band）不連續的

概念如同電子在有歸律的單晶之中X-ray 對其

繞射所產生的影響建構光子能階時也是運用相

同的道理在整齊的 regular crystal 中晶格對光的

影響

原理公式推導利用一維的 Maxwell equation

1

(r) H r

w2

c2 H r

將這一方程式想成是介電係數所產生的 boundary

condition限制電磁波中磁場的行為把這影響寫

成 operator

1

r

換成 bra-cat 的形式

Q H r E f H r 再轉成 Energy equation

E f H r Q H r H r H r

可由上束公式推出能量的不連續性

從電子能階的圖進一步由公式推導至光子晶體的

結果可以發現在 Oscilation potential 圖中有相同

的結果能量會出現不連續

將這一連串不連續的圖譜程現如下

在不連續處就是所謂的 photonic band

gap不同於 electron band gap 的是photonic bad gap

是一 forbidden gap 即光無法通過利用此一原理

無法通過的波長會以其互補色的顏色出現這就是

為什麼光子晶體會有這樣多變的色彩

6-4 製作

光子晶體的製作是非常困難的在科技如此

發達的現在仍然沒有一可量產的製作流程只能

說大自然的鬼斧神工實在令人讚嘆不過經過科

學家的努力人功晶體的製作也有大幅度的進步

除了原有應用在二維晶體的 top-down 蝕刻技術也

研究出三維方向中 button-up 的自組裝技術下圖是

幾種常見的製作方法

以三維晶體為例共有下列幾種的製造方法

過濾離心真空自然乾燥再經過高溫段燒使

晶體因高溫熔融後結構更加堅固

其中自然乾燥和過濾是最常見的作法

6-4-1 自然乾燥法

利用勻像的溶液粒子分佈均勻靜置 3~4 天慢慢

沉澱所產生

均勻混合粒子溶液

靜置等待沉澱

理想的排列狀況

SEM

6-4-2 過濾法

利用抽氣過濾的方法快速的將液體抽乾在

抽乾的同時隨著水流的向下粒子在底部排列

在排列整齊後經過段燒使得粒子排列更堅固

二維晶體主要使用光蝕刻法可以利用光罩的設

計達到光波導的效果讓晶體的排列更整齊晶格

更小

運用以上的製作方法將作出來的光子晶體依照

其物理性質應用在半導體之中

6-5 應用

蝕刻出來的二維光子晶體具有共振性對光

波有一定的選擇性也就是上述原理所說的 PBG

因此可利用將特定波長的光子濾出並轉向做為光

電儀器的訊號傳遞

若將多種不同粒徑大小的光子晶體合在一

起作成一多光子晶體晶格的積體材料加上晶體

的化學性質例如利用偏壓產生振動使晶格結構

改變讓選擇性改變在 detector 端會因為所接受

到的波長不同有不同的訊號產生就好像半導體電

子訊號的產生製造出機械語言 0101 的效果如

此一來便可應用在電子儀器上

但光子晶體通常是使用非導體的材料如二

氧化矽或聚合物的分子球化學性質穩定和物理性

質結構整齊所以大多不易受到酸鹼或外力的影

響在訊號的控制上有不小的困難為了解決這樣

的問題化學家便把半導體材料和有機化合物參雜

至其中

最常見的半導體材料參雜是用 CdSe製作技

術是利用光子晶體的粒子做為模板常用的是

Polystyrene sphere將具有 Cd2+Se2+的離溶液加

入其中以電度的方式將 CdSe 填滿粒子的空隙

在用有機溶液將粒子洗去剩下 CdSe 和之前粒子

所佔的空間如下圖所示

將溶液填入

電度移除粒子

光晶形成

SEM

這一類的光子晶體稱做逆光晶其原理與

光子晶體相同可用半導體偏壓的性質改變晶體

的結構控製訊號的傳遞

另一類的光子晶體是將有機化合物 coating在

粒子的表面通常是由小粒子一層一層 coating讓

粒子越長越大再做沉澱如下圖

利用有機合成的方法step by step合成出粒

徑大小一至的球狀粒子其中粒徑的大小一致性很

重要是能否形成光子晶體的關鍵再 coating 有

機物上去靜置乾燥待液體除去後就完成了

這一類光子晶體通常以其化性為控製因

素可以用酸鹼光電控制而較令人值得討論研

究的範圍是在有機物具 photo sensitive便可用光子

來做為控制的開關達到完全的光積體材料再來是

有機物的光子晶體可運用在生物上利用生物體中

的酵素或是特定的環境做醫療的應用也依靠

分子的作用力在溶液中形成光子晶體利用化學家

的知識將光子晶體運用在各方面

現在光子晶體應用在半導體上仍處於剛起

步的狀態市面上較常見的半導體應用於大型的光

電算機其運算速度都較傳統的電腦快耗能也較

少大幅度降低訊號延遲在其它方面的應用有光

纖傳輸優點在於低耗能無訊號延遲可傳輸高

功率雷射在大角度的訊號流失低透鏡以光子

晶體做成的透鏡具備的優點有平面易製作消散

波可同時聚集沒有像差沒有成像極限在微波領

域利用光子晶體的特性可濾掉一些電磁波做

為輻射的防護避免病變也可用在微波天線的基

底減少微波吸收發熱降低發射器的損耗由上

面眾多的應用可以發現光子晶體不斷的出現在我

們生活當中逐漸取代舊的半導體材料將電子的

世代轉入光子的世紀讓我們靜靜期待光子晶體在

未來的發展

七有機半導體 鄭名宏

7-1 前言

有機半導體(organic semiconductors)是指任何

擁有半導體性值的有機物質自從科學家在 1948

發現苯二甲藍素 (phthlo cyanine)的導電性後正式

開始了研究有機半導體逐步解明有機結晶的電子

狀態隨著研究發展現在有機半導體已廣泛應用

在各種領域之中以下將介紹有機半導體的簡史及

特色再介紹有機發光半導體(OLED)有機薄膜電

晶體(OTFT)高分子有機太陽能電池等三個有機半

導體上熱門且具有潛力的領域

7-2 發展歷史

1977 年日本白川英樹(Hideki Shirakawa)教授

發表的氧化與碘摻雜聚乙炔(polyacetylene)的高導

電性發現透過摻雜的方式可以讓聚乙炔的導電

性提高12個數量級成為導體而另一方面由美

國賓州大學物理系Alan J Heeger與化學系Alan G

MacDiarmid在1974年發表的有機電子元件使用古

典的電子傳導理論解釋這些有機物質的導電率他

們三人的研究開啟了近代十多年來有機導電分子

等的研究開發為了表揚他們在導電高分子的發現

與發展他們三人也在2000年共同獲得了諾貝爾獎

化學獎

雖然有機半導體確實可以克服很多無機半導

體的不足但由於有機半導體先天對於金屬不穩

定低載子移動率(carrier mobility)以及有機材料與

電子元件難以整合等問題讓研究上碰到瓶頸有

機半導體之主動電子元件(有機發光二極體有機太

陽能電池及有機薄膜電晶體)在研發上一直無法突

破這種情形直到1987年美國科達公司的鄧青雲博

士等人利用類似PN接面的雙層有機結構製作出第

一個低電壓高效率的有機發光二極體克服了上

述大部分有關有機半導體的缺點鄧博士所使用的

有機材料的個別分子單元包含了以共價鍵結合的

約30~40個原子以這樣的有機材料所構成的有機

發光二極體被稱作小分子OLED在1990年英國劍

橋大學的研究人員利用有機高分子材料 poly

para-(phenylene vinylene)(PPV)製作出類似的電激

發光的元件此種有機發光二極體被稱作高分子

LED (Polymer Light-Emitting Diode PLED)自此

不但觸發了研究學者對OLEDPLED之密集的研

究也引起業界對OLEDPLED平面顯示器的興趣

有機半導體當今被廣泛使用於光電元件中例

如有機發光二極體(organic light-emitting diodes

OLED)有機太陽能電池(organic solar cells)有機

薄膜電晶體（Organic thin film transistorsOTFT）

的電化學電晶體(electrochemical transistors)與生物

探測的應用等

7-3 有機半導體的特色

有機半導體的優勢有可人工調節其物性有

無機化合物金屬所無的新物性亦即容易混合分

散於高分子化合物中又因可作成高分子狀態可

具備塑膠獨特的加工性成形性大量生產性經

濟性改變種類添加物等而可廣範圍改變特性

但其缺點是載子(擔體)的移動度小於無機半導

體因而不宜利用移動度有關的電氣物性實際

上最近實用化的塑膠熱阻體有機光半導體都是

高分子半導體利用其本身的電阻變化

7-4 有機發光半導體

有機發光二極體（ Organic Light-Emitting

Diode簡稱OLED）與 TFT-LCD「薄膜電晶體液

晶顯示器」（Thin Film Transistor Liquid Crystal

Display）是不同類型的產品部分國外又稱 OLED

為有機電激發光顯示（Organic Electroluminesence

Display OELD）

7-4-1 OLED 的結構與原理

OLED 的基本結構是由一薄而透明具半導體特

性之銦錫氧化物(ITO)與電力之正極相連再加上

另一個金屬陰極包成如三明治的結構整個 結

構層中包括了電洞傳輸層(HTL)發光層(EL)與

電子傳輸層(ETL)當加入一外加偏壓使電子電

洞分別經過電洞傳輸層（Hole Transport Layer）與

電子傳輸層（Electron Transport Layer）後進入一

具有發光特性的有機物質在其內發生再結合時

形成一激發光子（exciton）後再將能量釋放出

來而回到基態（ground state）而這些釋放出來的

能量當中通常由於發光材料的選擇及電子自旋的

特性（spin state characteristics）只有 25（單重態

到基態singlet to ground state）的能量可以用來當

作OLED的發光其餘的 75（三重態到基態triplet

to ground state）是以磷光或熱的形式回歸到基態

由於所選擇的發光材料能階（band gap）的不同

可使這 25的能量以不同顏色的光的形式釋放出

來而形成 OLED 的發光現象

7-4-2 OLED 特點

高分子 OLED 元件的研究與發展便迅速成

長有機發光元件的相關領域得以快速進展得力

於它的元件特性及製作方式十分適合平面顯示器

的應用其特點如下

1不需晶態基板顯示器大小不受限制

2低溫製程可製作在任何基板上

3快速反應時間（ltμs）

4RGB 元件皆可製作

5低操作電壓

6高流明效率

7高亮度高對比

8自發光廣視角

和其他自發光顯示器技術如 CRTTFEL

PDP 及 FED 等相比較OLED 的操作電壓僅需數

伏特至十幾伏特明顯地遠低於其他技術（gt100

5-9 最新半導體產業事件

5-9-1 DRAM 產業景氣冰風暴下游封測廠也受凍

DRAM 廠如力晶ElpidaHynix茂德與華亞

等紛紛宣佈減產減產達 13再次反映出 DRAM

市場環境的惡劣在 DRAM 封測廠的產能利用率

方面隨著 DRAM 市場的不景氣滿載的情況已

不復見以封裝與測試來分析今年以來平均封裝

產能已經下滑了約 30左右測試產能更下滑了約

40此外 DRAM 廠在九月陸續減產之後預估整

體顆粒產出量縮會在明年一月陸續浮現也將嚴重

擠壓到封測廠的封裝與測試產能的利用率

DRAM 產業為支撐台灣半導體兆元產業半壁

江山的主要推手也是連帶帶動台灣下游封測廠商

業務的重要功臣但 DRAM 具標準型產品特型

會隨著景氣有大起大落的現象也嚴重影響以

DRAM 封測業務為主的部份後段廠商面對美國次

貸風暴的陰影下業者當務之急為盡量爭取非

DRAM 產品如邏輯Flash 等來填補產能並保持現

金水位但長遠來看下游封測廠仍然必須審慎思

考產品佈局以開拓邏輯產品作為分散產業風險的

策略為佳

5-9-2 奇夢達重整 全球裁員三千人

德國 DRAM 大廠 Qimonda 宣佈全球重整計

劃除了將所持有的 356華亞科技持股售予美國

DRAM廠Micron也將全球裁員 3000名員工2009

年 1 月時關閉位於美國 Richmond 的 8 吋廠以及

在 2009年 3月前關閉位於德國Dresden的後段封測

及模組廠另外Qimonda 財務長 Michael Majerus

也宣佈辭職一直被市場分析師認為有資金不足風

險的 Qimonda昨日出售手中持有的華亞科技股權

予美光拿到了 4 億美元的資金正好可再撐一陣

子而 Qimonda 也宣佈全球重整計劃希望完成後

每年省下 45 億歐元的費用成本未來奇夢達將

全更專注在高毛利率的繪圖卡用 GDDR遊戲機及

行動通訊產品使用的利基型 DRAM 等市場降低

集中在標準型 DRAM 市場的風險

從 Qimonda 全球裁員人數高達三千人以及賣

出 Inotera 股權給美國 Micron 這兩個事件來看幾

乎可確定 Qimonda 短期內將淡出標準型 DRAM 市

場並針對公司的產品線及未來定位做進一步的安

排Qimonda 一度位居全球第二大的 DRAM 公司

最後卻因技術發展方向的失誤以及 12 吋晶圓廠

先進製程產能的不足而敗下陣來對台灣的 DRAM

廠商而言是很重要的一個參考案例展望未來

Qimonda 在資金技術12 吋晶圓廠產能等等相

較於美日韓等公司的差距已逐漸拉大在可預

見的未來Qimonda 要重回標準型 DRAM 市場競

爭核心已不可能全球 DRAM 品牌市場將由美

日韓所主導台灣則扮演 DRAM 的重要製造角

色

5-9-3 AMD 組建新合資企業轉移 12 億美元債務

AMD 宣佈計畫分離其製造業務並與阿聯酋阿

布 達 比政 府的 先 進技 術投 資 公司 (Advanced

Technology Investment CoATIC)攜手成立一家

新的合資企業AMD 在一份聲明中表示雙方聯

手後 AMD 將擁有新合資公司 444的股份ATIC

則持有剩餘的 556雙方將在合資企業的董事會

中獲得相同席位

AMD 將為新合資企業提供先進的生產設備

包括位於德國德勒斯頓的兩座晶片製造工廠以及

相關資產和知識產權ATIC 則將向新合資企業注

入 21 億美元其中 14 億美元為直接投資剩餘資

金將用於收購合資企業股份ATIC 還將在未來 5

年內對合資企業投資 36 億至 60 億美元

AMD 在這過程中可說是佔了許多的好處除了

確保將製造業務分割後短期內仍能以較少的代價

獲得新合資公司的產能支援外也能拋開 12 億美

元的債務以及新的合資公司所要投資的產能更新

或擴充的資金壓力而將更多的資金及資源投入在

下一代 IC 產品的開發某種程度上AMD 的作法

很類似售出資產後回租的方式透過這種安排

AMD 得以抬高公司技術研發經費佔營收規模的比

重而能夠以較小的公司規模與全球 CPU 巨擘 Intel

持續在主流的 CPU 市場上展開競爭

六光子晶體在半導體的原理及應用 李韋廷

6-1 序

1948 年美國貝爾實驗室的三位傑出科學

家W SchokleyJ BardeenWH Brattain 發明了

雙極電晶體（Bipolar transistor）世界開始邁入半

導體的世紀在這電子和資訊工業發達的時代出了

許多優秀的科學家而最為人知的應該是 Gordon

Earle Moore（Intel 的創始人之一）Moorersquos Law

引起了熱烈討論半導體的發展是否如他所預言一

般

時間證明了一切現在的半導體蝕刻從

95nm65nm45nm 到 32nmTop-down 的技術逐

漸遇到瓶頸科學家們不斷的研究新的技術希望

能做的更小更快耗能更少的半導體而光晶正

好滿足了此需求

6-2 光子晶體介紹

光子晶體在 1987 年才由科學家正式的給予

此一名稱但在自然中早存在這種性質的物質盛

產於澳洲的寶石蛋白石（圖一）即為一例

圖一

在生物界中也不乏光子晶體的蹤跡以花叢

中翩翩起舞的蝴蝶（圖二-左）為例其色彩斑斕的

翅膀也是拜光子晶體所賜

圖二

而這些色彩繽紛的外觀和色彩與色素無關

倒底光子晶體是如何產生這些斑斕的色彩讓我們

來一窺就盡

晶體（如半導體）當中由於電子受到晶格

的周期性位勢（periodic potential）散色部份波段

會因破壞性干涉形成能階（energy gap）導製電子

的色散關係（dispersion relation）程帶狀分佈這

是眾所皆知的電子能帶結構（ electron band

structure）類似現象也存在於光子系統中在介電

物質其係數呈週期性排列的三維介電材料中電磁

波經介電函數散射後某些波段的電磁波強度會因

破壞性干涉而呈指數衰減光便無法在系統內傳

遞相當於在頻譜上形成能階於是色散關係也具

有帶狀結構此即所謂光子能帶結構（photonic band

structures）當介電物質具有光子能帶結構時就稱

為光能階系統（photonic band gap system簡稱 PBG

系統）或簡稱光子晶體（photonic crystal）光子晶

體是能對光作出反應的特殊晶格而這些晶格有著

規律的排列緊密的結構（圖二-右）當光照射在

光子晶體上時因為受到光子能帶結構的影響部

份波長受到破壞性的干涉無法傳遞產生不同的顏

色這一類影響光子運動的光學結構類似於半導

體晶體對電子的影響經由多次的研究與嘗試終

於製造出人工的光子晶體利用它類似半導體的行

為應用在許多新的半導體元件上如光纖光電

算機等將電子的世代向光子世代邁進

6-3 原理

Photonic Band Gap（PBG）

光能階是來自電子能階（electron band）不連續的

概念如同電子在有歸律的單晶之中X-ray 對其

繞射所產生的影響建構光子能階時也是運用相

同的道理在整齊的 regular crystal 中晶格對光的

影響

原理公式推導利用一維的 Maxwell equation

1

(r) H r

w2

c2 H r

將這一方程式想成是介電係數所產生的 boundary

condition限制電磁波中磁場的行為把這影響寫

成 operator

1

r

換成 bra-cat 的形式

Q H r E f H r 再轉成 Energy equation

E f H r Q H r H r H r

可由上束公式推出能量的不連續性

從電子能階的圖進一步由公式推導至光子晶體的

結果可以發現在 Oscilation potential 圖中有相同

的結果能量會出現不連續

將這一連串不連續的圖譜程現如下

在不連續處就是所謂的 photonic band

gap不同於 electron band gap 的是photonic bad gap

是一 forbidden gap 即光無法通過利用此一原理

無法通過的波長會以其互補色的顏色出現這就是

為什麼光子晶體會有這樣多變的色彩

6-4 製作

光子晶體的製作是非常困難的在科技如此

發達的現在仍然沒有一可量產的製作流程只能

說大自然的鬼斧神工實在令人讚嘆不過經過科

學家的努力人功晶體的製作也有大幅度的進步

除了原有應用在二維晶體的 top-down 蝕刻技術也

研究出三維方向中 button-up 的自組裝技術下圖是

幾種常見的製作方法

以三維晶體為例共有下列幾種的製造方法

過濾離心真空自然乾燥再經過高溫段燒使

晶體因高溫熔融後結構更加堅固

其中自然乾燥和過濾是最常見的作法

6-4-1 自然乾燥法

利用勻像的溶液粒子分佈均勻靜置 3~4 天慢慢

沉澱所產生

均勻混合粒子溶液

靜置等待沉澱

理想的排列狀況

SEM

6-4-2 過濾法

利用抽氣過濾的方法快速的將液體抽乾在

抽乾的同時隨著水流的向下粒子在底部排列

在排列整齊後經過段燒使得粒子排列更堅固

二維晶體主要使用光蝕刻法可以利用光罩的設

計達到光波導的效果讓晶體的排列更整齊晶格

更小

運用以上的製作方法將作出來的光子晶體依照

其物理性質應用在半導體之中

6-5 應用

蝕刻出來的二維光子晶體具有共振性對光

波有一定的選擇性也就是上述原理所說的 PBG

因此可利用將特定波長的光子濾出並轉向做為光

電儀器的訊號傳遞

若將多種不同粒徑大小的光子晶體合在一

起作成一多光子晶體晶格的積體材料加上晶體

的化學性質例如利用偏壓產生振動使晶格結構

改變讓選擇性改變在 detector 端會因為所接受

到的波長不同有不同的訊號產生就好像半導體電

子訊號的產生製造出機械語言 0101 的效果如

此一來便可應用在電子儀器上

但光子晶體通常是使用非導體的材料如二

氧化矽或聚合物的分子球化學性質穩定和物理性

質結構整齊所以大多不易受到酸鹼或外力的影

響在訊號的控制上有不小的困難為了解決這樣

的問題化學家便把半導體材料和有機化合物參雜

至其中

最常見的半導體材料參雜是用 CdSe製作技

術是利用光子晶體的粒子做為模板常用的是

Polystyrene sphere將具有 Cd2+Se2+的離溶液加

入其中以電度的方式將 CdSe 填滿粒子的空隙

在用有機溶液將粒子洗去剩下 CdSe 和之前粒子

所佔的空間如下圖所示

將溶液填入

電度移除粒子

光晶形成

SEM

這一類的光子晶體稱做逆光晶其原理與

光子晶體相同可用半導體偏壓的性質改變晶體

的結構控製訊號的傳遞

另一類的光子晶體是將有機化合物 coating在

粒子的表面通常是由小粒子一層一層 coating讓

粒子越長越大再做沉澱如下圖

利用有機合成的方法step by step合成出粒

徑大小一至的球狀粒子其中粒徑的大小一致性很

重要是能否形成光子晶體的關鍵再 coating 有

機物上去靜置乾燥待液體除去後就完成了

這一類光子晶體通常以其化性為控製因

素可以用酸鹼光電控制而較令人值得討論研

究的範圍是在有機物具 photo sensitive便可用光子

來做為控制的開關達到完全的光積體材料再來是

有機物的光子晶體可運用在生物上利用生物體中

的酵素或是特定的環境做醫療的應用也依靠

分子的作用力在溶液中形成光子晶體利用化學家

的知識將光子晶體運用在各方面

現在光子晶體應用在半導體上仍處於剛起

步的狀態市面上較常見的半導體應用於大型的光

電算機其運算速度都較傳統的電腦快耗能也較

少大幅度降低訊號延遲在其它方面的應用有光

纖傳輸優點在於低耗能無訊號延遲可傳輸高

功率雷射在大角度的訊號流失低透鏡以光子

晶體做成的透鏡具備的優點有平面易製作消散

波可同時聚集沒有像差沒有成像極限在微波領

域利用光子晶體的特性可濾掉一些電磁波做

為輻射的防護避免病變也可用在微波天線的基

底減少微波吸收發熱降低發射器的損耗由上

面眾多的應用可以發現光子晶體不斷的出現在我

們生活當中逐漸取代舊的半導體材料將電子的

世代轉入光子的世紀讓我們靜靜期待光子晶體在

未來的發展

七有機半導體 鄭名宏

7-1 前言

有機半導體(organic semiconductors)是指任何

擁有半導體性值的有機物質自從科學家在 1948

發現苯二甲藍素 (phthlo cyanine)的導電性後正式

開始了研究有機半導體逐步解明有機結晶的電子

狀態隨著研究發展現在有機半導體已廣泛應用

在各種領域之中以下將介紹有機半導體的簡史及

特色再介紹有機發光半導體(OLED)有機薄膜電

晶體(OTFT)高分子有機太陽能電池等三個有機半

導體上熱門且具有潛力的領域

7-2 發展歷史

1977 年日本白川英樹(Hideki Shirakawa)教授

發表的氧化與碘摻雜聚乙炔(polyacetylene)的高導

電性發現透過摻雜的方式可以讓聚乙炔的導電

性提高12個數量級成為導體而另一方面由美

國賓州大學物理系Alan J Heeger與化學系Alan G

MacDiarmid在1974年發表的有機電子元件使用古

典的電子傳導理論解釋這些有機物質的導電率他

們三人的研究開啟了近代十多年來有機導電分子

等的研究開發為了表揚他們在導電高分子的發現

與發展他們三人也在2000年共同獲得了諾貝爾獎

化學獎

雖然有機半導體確實可以克服很多無機半導

體的不足但由於有機半導體先天對於金屬不穩

定低載子移動率(carrier mobility)以及有機材料與

電子元件難以整合等問題讓研究上碰到瓶頸有

機半導體之主動電子元件(有機發光二極體有機太

陽能電池及有機薄膜電晶體)在研發上一直無法突

破這種情形直到1987年美國科達公司的鄧青雲博

士等人利用類似PN接面的雙層有機結構製作出第

一個低電壓高效率的有機發光二極體克服了上

述大部分有關有機半導體的缺點鄧博士所使用的

有機材料的個別分子單元包含了以共價鍵結合的

約30~40個原子以這樣的有機材料所構成的有機

發光二極體被稱作小分子OLED在1990年英國劍

橋大學的研究人員利用有機高分子材料 poly

para-(phenylene vinylene)(PPV)製作出類似的電激

發光的元件此種有機發光二極體被稱作高分子

LED (Polymer Light-Emitting Diode PLED)自此

不但觸發了研究學者對OLEDPLED之密集的研

究也引起業界對OLEDPLED平面顯示器的興趣

有機半導體當今被廣泛使用於光電元件中例

如有機發光二極體(organic light-emitting diodes

OLED)有機太陽能電池(organic solar cells)有機

薄膜電晶體（Organic thin film transistorsOTFT）

的電化學電晶體(electrochemical transistors)與生物

探測的應用等

7-3 有機半導體的特色

有機半導體的優勢有可人工調節其物性有

無機化合物金屬所無的新物性亦即容易混合分

散於高分子化合物中又因可作成高分子狀態可

具備塑膠獨特的加工性成形性大量生產性經

濟性改變種類添加物等而可廣範圍改變特性

但其缺點是載子(擔體)的移動度小於無機半導

體因而不宜利用移動度有關的電氣物性實際

上最近實用化的塑膠熱阻體有機光半導體都是

高分子半導體利用其本身的電阻變化

7-4 有機發光半導體

有機發光二極體（ Organic Light-Emitting

Diode簡稱OLED）與 TFT-LCD「薄膜電晶體液

晶顯示器」（Thin Film Transistor Liquid Crystal

Display）是不同類型的產品部分國外又稱 OLED

為有機電激發光顯示（Organic Electroluminesence

Display OELD）

7-4-1 OLED 的結構與原理

OLED 的基本結構是由一薄而透明具半導體特

性之銦錫氧化物(ITO)與電力之正極相連再加上

另一個金屬陰極包成如三明治的結構整個 結

構層中包括了電洞傳輸層(HTL)發光層(EL)與

電子傳輸層(ETL)當加入一外加偏壓使電子電

洞分別經過電洞傳輸層（Hole Transport Layer）與

電子傳輸層（Electron Transport Layer）後進入一

具有發光特性的有機物質在其內發生再結合時

形成一激發光子（exciton）後再將能量釋放出

來而回到基態（ground state）而這些釋放出來的

能量當中通常由於發光材料的選擇及電子自旋的

特性（spin state characteristics）只有 25（單重態

到基態singlet to ground state）的能量可以用來當

作OLED的發光其餘的 75（三重態到基態triplet

to ground state）是以磷光或熱的形式回歸到基態

由於所選擇的發光材料能階（band gap）的不同

可使這 25的能量以不同顏色的光的形式釋放出

來而形成 OLED 的發光現象

7-4-2 OLED 特點

高分子 OLED 元件的研究與發展便迅速成

長有機發光元件的相關領域得以快速進展得力

於它的元件特性及製作方式十分適合平面顯示器

的應用其特點如下

1不需晶態基板顯示器大小不受限制

2低溫製程可製作在任何基板上

3快速反應時間（ltμs）

4RGB 元件皆可製作

5低操作電壓

6高流明效率

7高亮度高對比

8自發光廣視角

和其他自發光顯示器技術如 CRTTFEL

PDP 及 FED 等相比較OLED 的操作電壓僅需數

伏特至十幾伏特明顯地遠低於其他技術（gt100

六光子晶體在半導體的原理及應用 李韋廷

6-1 序

1948 年美國貝爾實驗室的三位傑出科學

家W SchokleyJ BardeenWH Brattain 發明了

雙極電晶體（Bipolar transistor）世界開始邁入半

導體的世紀在這電子和資訊工業發達的時代出了

許多優秀的科學家而最為人知的應該是 Gordon

Earle Moore（Intel 的創始人之一）Moorersquos Law

引起了熱烈討論半導體的發展是否如他所預言一

般

時間證明了一切現在的半導體蝕刻從

95nm65nm45nm 到 32nmTop-down 的技術逐

漸遇到瓶頸科學家們不斷的研究新的技術希望

能做的更小更快耗能更少的半導體而光晶正

好滿足了此需求

6-2 光子晶體介紹

光子晶體在 1987 年才由科學家正式的給予

此一名稱但在自然中早存在這種性質的物質盛

產於澳洲的寶石蛋白石（圖一）即為一例

圖一

在生物界中也不乏光子晶體的蹤跡以花叢

中翩翩起舞的蝴蝶（圖二-左）為例其色彩斑斕的

翅膀也是拜光子晶體所賜

圖二

而這些色彩繽紛的外觀和色彩與色素無關

倒底光子晶體是如何產生這些斑斕的色彩讓我們

來一窺就盡

晶體（如半導體）當中由於電子受到晶格

的周期性位勢（periodic potential）散色部份波段

會因破壞性干涉形成能階（energy gap）導製電子

的色散關係（dispersion relation）程帶狀分佈這

是眾所皆知的電子能帶結構（ electron band

structure）類似現象也存在於光子系統中在介電

物質其係數呈週期性排列的三維介電材料中電磁

波經介電函數散射後某些波段的電磁波強度會因

破壞性干涉而呈指數衰減光便無法在系統內傳

遞相當於在頻譜上形成能階於是色散關係也具

有帶狀結構此即所謂光子能帶結構（photonic band

structures）當介電物質具有光子能帶結構時就稱

為光能階系統（photonic band gap system簡稱 PBG

系統）或簡稱光子晶體（photonic crystal）光子晶

體是能對光作出反應的特殊晶格而這些晶格有著

規律的排列緊密的結構（圖二-右）當光照射在

光子晶體上時因為受到光子能帶結構的影響部

份波長受到破壞性的干涉無法傳遞產生不同的顏

色這一類影響光子運動的光學結構類似於半導

體晶體對電子的影響經由多次的研究與嘗試終

於製造出人工的光子晶體利用它類似半導體的行

為應用在許多新的半導體元件上如光纖光電

算機等將電子的世代向光子世代邁進

6-3 原理

Photonic Band Gap（PBG）

光能階是來自電子能階（electron band）不連續的

概念如同電子在有歸律的單晶之中X-ray 對其

繞射所產生的影響建構光子能階時也是運用相

同的道理在整齊的 regular crystal 中晶格對光的

影響

原理公式推導利用一維的 Maxwell equation

1

(r) H r

w2

c2 H r

將這一方程式想成是介電係數所產生的 boundary

condition限制電磁波中磁場的行為把這影響寫

成 operator

1

r

換成 bra-cat 的形式

Q H r E f H r 再轉成 Energy equation

E f H r Q H r H r H r

可由上束公式推出能量的不連續性

從電子能階的圖進一步由公式推導至光子晶體的

結果可以發現在 Oscilation potential 圖中有相同

的結果能量會出現不連續

將這一連串不連續的圖譜程現如下

在不連續處就是所謂的 photonic band

gap不同於 electron band gap 的是photonic bad gap

是一 forbidden gap 即光無法通過利用此一原理

無法通過的波長會以其互補色的顏色出現這就是

為什麼光子晶體會有這樣多變的色彩

6-4 製作

光子晶體的製作是非常困難的在科技如此

發達的現在仍然沒有一可量產的製作流程只能

說大自然的鬼斧神工實在令人讚嘆不過經過科

學家的努力人功晶體的製作也有大幅度的進步

除了原有應用在二維晶體的 top-down 蝕刻技術也

研究出三維方向中 button-up 的自組裝技術下圖是

幾種常見的製作方法

以三維晶體為例共有下列幾種的製造方法

過濾離心真空自然乾燥再經過高溫段燒使

晶體因高溫熔融後結構更加堅固

其中自然乾燥和過濾是最常見的作法

6-4-1 自然乾燥法

利用勻像的溶液粒子分佈均勻靜置 3~4 天慢慢

沉澱所產生

均勻混合粒子溶液

靜置等待沉澱

理想的排列狀況

SEM

6-4-2 過濾法

利用抽氣過濾的方法快速的將液體抽乾在

抽乾的同時隨著水流的向下粒子在底部排列

在排列整齊後經過段燒使得粒子排列更堅固

二維晶體主要使用光蝕刻法可以利用光罩的設

計達到光波導的效果讓晶體的排列更整齊晶格

更小

運用以上的製作方法將作出來的光子晶體依照

其物理性質應用在半導體之中

6-5 應用

蝕刻出來的二維光子晶體具有共振性對光

波有一定的選擇性也就是上述原理所說的 PBG

因此可利用將特定波長的光子濾出並轉向做為光

電儀器的訊號傳遞

若將多種不同粒徑大小的光子晶體合在一

起作成一多光子晶體晶格的積體材料加上晶體

的化學性質例如利用偏壓產生振動使晶格結構

改變讓選擇性改變在 detector 端會因為所接受

到的波長不同有不同的訊號產生就好像半導體電

子訊號的產生製造出機械語言 0101 的效果如

此一來便可應用在電子儀器上

但光子晶體通常是使用非導體的材料如二

氧化矽或聚合物的分子球化學性質穩定和物理性

質結構整齊所以大多不易受到酸鹼或外力的影

響在訊號的控制上有不小的困難為了解決這樣

的問題化學家便把半導體材料和有機化合物參雜

至其中

最常見的半導體材料參雜是用 CdSe製作技

術是利用光子晶體的粒子做為模板常用的是

Polystyrene sphere將具有 Cd2+Se2+的離溶液加

入其中以電度的方式將 CdSe 填滿粒子的空隙

在用有機溶液將粒子洗去剩下 CdSe 和之前粒子

所佔的空間如下圖所示

將溶液填入

電度移除粒子

光晶形成

SEM

這一類的光子晶體稱做逆光晶其原理與

光子晶體相同可用半導體偏壓的性質改變晶體

的結構控製訊號的傳遞

另一類的光子晶體是將有機化合物 coating在

粒子的表面通常是由小粒子一層一層 coating讓

粒子越長越大再做沉澱如下圖

利用有機合成的方法step by step合成出粒

徑大小一至的球狀粒子其中粒徑的大小一致性很

重要是能否形成光子晶體的關鍵再 coating 有

機物上去靜置乾燥待液體除去後就完成了

這一類光子晶體通常以其化性為控製因

素可以用酸鹼光電控制而較令人值得討論研

究的範圍是在有機物具 photo sensitive便可用光子

來做為控制的開關達到完全的光積體材料再來是

有機物的光子晶體可運用在生物上利用生物體中

的酵素或是特定的環境做醫療的應用也依靠

分子的作用力在溶液中形成光子晶體利用化學家

的知識將光子晶體運用在各方面

現在光子晶體應用在半導體上仍處於剛起

步的狀態市面上較常見的半導體應用於大型的光

電算機其運算速度都較傳統的電腦快耗能也較

少大幅度降低訊號延遲在其它方面的應用有光

纖傳輸優點在於低耗能無訊號延遲可傳輸高

功率雷射在大角度的訊號流失低透鏡以光子

晶體做成的透鏡具備的優點有平面易製作消散

波可同時聚集沒有像差沒有成像極限在微波領

域利用光子晶體的特性可濾掉一些電磁波做

為輻射的防護避免病變也可用在微波天線的基

底減少微波吸收發熱降低發射器的損耗由上

面眾多的應用可以發現光子晶體不斷的出現在我

們生活當中逐漸取代舊的半導體材料將電子的

世代轉入光子的世紀讓我們靜靜期待光子晶體在

未來的發展

七有機半導體 鄭名宏

7-1 前言

有機半導體(organic semiconductors)是指任何

擁有半導體性值的有機物質自從科學家在 1948

發現苯二甲藍素 (phthlo cyanine)的導電性後正式

開始了研究有機半導體逐步解明有機結晶的電子

狀態隨著研究發展現在有機半導體已廣泛應用

在各種領域之中以下將介紹有機半導體的簡史及

特色再介紹有機發光半導體(OLED)有機薄膜電

晶體(OTFT)高分子有機太陽能電池等三個有機半

導體上熱門且具有潛力的領域

7-2 發展歷史

1977 年日本白川英樹(Hideki Shirakawa)教授

發表的氧化與碘摻雜聚乙炔(polyacetylene)的高導

電性發現透過摻雜的方式可以讓聚乙炔的導電

性提高12個數量級成為導體而另一方面由美

國賓州大學物理系Alan J Heeger與化學系Alan G

MacDiarmid在1974年發表的有機電子元件使用古

典的電子傳導理論解釋這些有機物質的導電率他

們三人的研究開啟了近代十多年來有機導電分子

等的研究開發為了表揚他們在導電高分子的發現

與發展他們三人也在2000年共同獲得了諾貝爾獎

化學獎

雖然有機半導體確實可以克服很多無機半導

體的不足但由於有機半導體先天對於金屬不穩

定低載子移動率(carrier mobility)以及有機材料與

電子元件難以整合等問題讓研究上碰到瓶頸有

機半導體之主動電子元件(有機發光二極體有機太

陽能電池及有機薄膜電晶體)在研發上一直無法突

破這種情形直到1987年美國科達公司的鄧青雲博

士等人利用類似PN接面的雙層有機結構製作出第

一個低電壓高效率的有機發光二極體克服了上

述大部分有關有機半導體的缺點鄧博士所使用的

有機材料的個別分子單元包含了以共價鍵結合的

約30~40個原子以這樣的有機材料所構成的有機

發光二極體被稱作小分子OLED在1990年英國劍

橋大學的研究人員利用有機高分子材料 poly

para-(phenylene vinylene)(PPV)製作出類似的電激

發光的元件此種有機發光二極體被稱作高分子

LED (Polymer Light-Emitting Diode PLED)自此

不但觸發了研究學者對OLEDPLED之密集的研

究也引起業界對OLEDPLED平面顯示器的興趣

有機半導體當今被廣泛使用於光電元件中例

如有機發光二極體(organic light-emitting diodes

OLED)有機太陽能電池(organic solar cells)有機

薄膜電晶體（Organic thin film transistorsOTFT）

的電化學電晶體(electrochemical transistors)與生物

探測的應用等

7-3 有機半導體的特色

有機半導體的優勢有可人工調節其物性有

無機化合物金屬所無的新物性亦即容易混合分

散於高分子化合物中又因可作成高分子狀態可

具備塑膠獨特的加工性成形性大量生產性經

濟性改變種類添加物等而可廣範圍改變特性

但其缺點是載子(擔體)的移動度小於無機半導

體因而不宜利用移動度有關的電氣物性實際

上最近實用化的塑膠熱阻體有機光半導體都是

高分子半導體利用其本身的電阻變化

7-4 有機發光半導體

有機發光二極體（ Organic Light-Emitting

Diode簡稱OLED）與 TFT-LCD「薄膜電晶體液

晶顯示器」（Thin Film Transistor Liquid Crystal

Display）是不同類型的產品部分國外又稱 OLED

為有機電激發光顯示（Organic Electroluminesence

Display OELD）

7-4-1 OLED 的結構與原理

OLED 的基本結構是由一薄而透明具半導體特

性之銦錫氧化物(ITO)與電力之正極相連再加上

另一個金屬陰極包成如三明治的結構整個 結

構層中包括了電洞傳輸層(HTL)發光層(EL)與

電子傳輸層(ETL)當加入一外加偏壓使電子電

洞分別經過電洞傳輸層（Hole Transport Layer）與

電子傳輸層（Electron Transport Layer）後進入一

具有發光特性的有機物質在其內發生再結合時

形成一激發光子（exciton）後再將能量釋放出

來而回到基態（ground state）而這些釋放出來的

能量當中通常由於發光材料的選擇及電子自旋的

特性（spin state characteristics）只有 25（單重態

到基態singlet to ground state）的能量可以用來當

作OLED的發光其餘的 75（三重態到基態triplet

to ground state）是以磷光或熱的形式回歸到基態

由於所選擇的發光材料能階（band gap）的不同

可使這 25的能量以不同顏色的光的形式釋放出

來而形成 OLED 的發光現象

7-4-2 OLED 特點

高分子 OLED 元件的研究與發展便迅速成

長有機發光元件的相關領域得以快速進展得力

於它的元件特性及製作方式十分適合平面顯示器

的應用其特點如下

1不需晶態基板顯示器大小不受限制

2低溫製程可製作在任何基板上

3快速反應時間（ltμs）

4RGB 元件皆可製作

5低操作電壓

6高流明效率

7高亮度高對比

8自發光廣視角

和其他自發光顯示器技術如 CRTTFEL

PDP 及 FED 等相比較OLED 的操作電壓僅需數

伏特至十幾伏特明顯地遠低於其他技術（gt100

Q H r E f H r 再轉成 Energy equation

E f H r Q H r H r H r

可由上束公式推出能量的不連續性

從電子能階的圖進一步由公式推導至光子晶體的

結果可以發現在 Oscilation potential 圖中有相同

的結果能量會出現不連續

將這一連串不連續的圖譜程現如下

在不連續處就是所謂的 photonic band

gap不同於 electron band gap 的是photonic bad gap

是一 forbidden gap 即光無法通過利用此一原理

無法通過的波長會以其互補色的顏色出現這就是

為什麼光子晶體會有這樣多變的色彩

6-4 製作

光子晶體的製作是非常困難的在科技如此

發達的現在仍然沒有一可量產的製作流程只能

說大自然的鬼斧神工實在令人讚嘆不過經過科

學家的努力人功晶體的製作也有大幅度的進步

除了原有應用在二維晶體的 top-down 蝕刻技術也

研究出三維方向中 button-up 的自組裝技術下圖是

幾種常見的製作方法

以三維晶體為例共有下列幾種的製造方法

過濾離心真空自然乾燥再經過高溫段燒使

晶體因高溫熔融後結構更加堅固

其中自然乾燥和過濾是最常見的作法

6-4-1 自然乾燥法

利用勻像的溶液粒子分佈均勻靜置 3~4 天慢慢

沉澱所產生

均勻混合粒子溶液

靜置等待沉澱

理想的排列狀況

SEM

6-4-2 過濾法

利用抽氣過濾的方法快速的將液體抽乾在

抽乾的同時隨著水流的向下粒子在底部排列

在排列整齊後經過段燒使得粒子排列更堅固

二維晶體主要使用光蝕刻法可以利用光罩的設

計達到光波導的效果讓晶體的排列更整齊晶格

更小

運用以上的製作方法將作出來的光子晶體依照

其物理性質應用在半導體之中

6-5 應用

蝕刻出來的二維光子晶體具有共振性對光

波有一定的選擇性也就是上述原理所說的 PBG

因此可利用將特定波長的光子濾出並轉向做為光

電儀器的訊號傳遞

若將多種不同粒徑大小的光子晶體合在一

起作成一多光子晶體晶格的積體材料加上晶體

的化學性質例如利用偏壓產生振動使晶格結構

改變讓選擇性改變在 detector 端會因為所接受

到的波長不同有不同的訊號產生就好像半導體電

子訊號的產生製造出機械語言 0101 的效果如

此一來便可應用在電子儀器上

但光子晶體通常是使用非導體的材料如二

氧化矽或聚合物的分子球化學性質穩定和物理性

質結構整齊所以大多不易受到酸鹼或外力的影

響在訊號的控制上有不小的困難為了解決這樣

的問題化學家便把半導體材料和有機化合物參雜

至其中

最常見的半導體材料參雜是用 CdSe製作技

術是利用光子晶體的粒子做為模板常用的是

Polystyrene sphere將具有 Cd2+Se2+的離溶液加

入其中以電度的方式將 CdSe 填滿粒子的空隙

在用有機溶液將粒子洗去剩下 CdSe 和之前粒子

所佔的空間如下圖所示

將溶液填入

電度移除粒子

光晶形成

SEM

這一類的光子晶體稱做逆光晶其原理與

光子晶體相同可用半導體偏壓的性質改變晶體

的結構控製訊號的傳遞

另一類的光子晶體是將有機化合物 coating在

粒子的表面通常是由小粒子一層一層 coating讓

粒子越長越大再做沉澱如下圖

利用有機合成的方法step by step合成出粒

徑大小一至的球狀粒子其中粒徑的大小一致性很

重要是能否形成光子晶體的關鍵再 coating 有

機物上去靜置乾燥待液體除去後就完成了

這一類光子晶體通常以其化性為控製因

素可以用酸鹼光電控制而較令人值得討論研

究的範圍是在有機物具 photo sensitive便可用光子

來做為控制的開關達到完全的光積體材料再來是

有機物的光子晶體可運用在生物上利用生物體中

的酵素或是特定的環境做醫療的應用也依靠

分子的作用力在溶液中形成光子晶體利用化學家

的知識將光子晶體運用在各方面

現在光子晶體應用在半導體上仍處於剛起

步的狀態市面上較常見的半導體應用於大型的光

電算機其運算速度都較傳統的電腦快耗能也較

少大幅度降低訊號延遲在其它方面的應用有光

纖傳輸優點在於低耗能無訊號延遲可傳輸高

功率雷射在大角度的訊號流失低透鏡以光子

晶體做成的透鏡具備的優點有平面易製作消散

波可同時聚集沒有像差沒有成像極限在微波領

域利用光子晶體的特性可濾掉一些電磁波做

為輻射的防護避免病變也可用在微波天線的基

底減少微波吸收發熱降低發射器的損耗由上

面眾多的應用可以發現光子晶體不斷的出現在我

們生活當中逐漸取代舊的半導體材料將電子的

世代轉入光子的世紀讓我們靜靜期待光子晶體在

未來的發展

七有機半導體 鄭名宏

7-1 前言

有機半導體(organic semiconductors)是指任何

擁有半導體性值的有機物質自從科學家在 1948

發現苯二甲藍素 (phthlo cyanine)的導電性後正式

開始了研究有機半導體逐步解明有機結晶的電子

狀態隨著研究發展現在有機半導體已廣泛應用

在各種領域之中以下將介紹有機半導體的簡史及

特色再介紹有機發光半導體(OLED)有機薄膜電

晶體(OTFT)高分子有機太陽能電池等三個有機半

導體上熱門且具有潛力的領域

7-2 發展歷史

1977 年日本白川英樹(Hideki Shirakawa)教授

發表的氧化與碘摻雜聚乙炔(polyacetylene)的高導

電性發現透過摻雜的方式可以讓聚乙炔的導電

性提高12個數量級成為導體而另一方面由美

國賓州大學物理系Alan J Heeger與化學系Alan G

MacDiarmid在1974年發表的有機電子元件使用古

典的電子傳導理論解釋這些有機物質的導電率他

們三人的研究開啟了近代十多年來有機導電分子

等的研究開發為了表揚他們在導電高分子的發現

與發展他們三人也在2000年共同獲得了諾貝爾獎

化學獎

雖然有機半導體確實可以克服很多無機半導

體的不足但由於有機半導體先天對於金屬不穩

定低載子移動率(carrier mobility)以及有機材料與

電子元件難以整合等問題讓研究上碰到瓶頸有

機半導體之主動電子元件(有機發光二極體有機太

陽能電池及有機薄膜電晶體)在研發上一直無法突

破這種情形直到1987年美國科達公司的鄧青雲博

士等人利用類似PN接面的雙層有機結構製作出第

一個低電壓高效率的有機發光二極體克服了上

述大部分有關有機半導體的缺點鄧博士所使用的

有機材料的個別分子單元包含了以共價鍵結合的

約30~40個原子以這樣的有機材料所構成的有機

發光二極體被稱作小分子OLED在1990年英國劍

橋大學的研究人員利用有機高分子材料 poly

para-(phenylene vinylene)(PPV)製作出類似的電激

發光的元件此種有機發光二極體被稱作高分子

LED (Polymer Light-Emitting Diode PLED)自此

不但觸發了研究學者對OLEDPLED之密集的研

究也引起業界對OLEDPLED平面顯示器的興趣

有機半導體當今被廣泛使用於光電元件中例

如有機發光二極體(organic light-emitting diodes

OLED)有機太陽能電池(organic solar cells)有機

薄膜電晶體（Organic thin film transistorsOTFT）

的電化學電晶體(electrochemical transistors)與生物

探測的應用等

7-3 有機半導體的特色

有機半導體的優勢有可人工調節其物性有

無機化合物金屬所無的新物性亦即容易混合分

散於高分子化合物中又因可作成高分子狀態可

具備塑膠獨特的加工性成形性大量生產性經

濟性改變種類添加物等而可廣範圍改變特性

但其缺點是載子(擔體)的移動度小於無機半導

體因而不宜利用移動度有關的電氣物性實際

上最近實用化的塑膠熱阻體有機光半導體都是

高分子半導體利用其本身的電阻變化

7-4 有機發光半導體

有機發光二極體（ Organic Light-Emitting

Diode簡稱OLED）與 TFT-LCD「薄膜電晶體液

晶顯示器」（Thin Film Transistor Liquid Crystal

Display）是不同類型的產品部分國外又稱 OLED

為有機電激發光顯示（Organic Electroluminesence

Display OELD）

7-4-1 OLED 的結構與原理

OLED 的基本結構是由一薄而透明具半導體特

性之銦錫氧化物(ITO)與電力之正極相連再加上

另一個金屬陰極包成如三明治的結構整個 結

構層中包括了電洞傳輸層(HTL)發光層(EL)與

電子傳輸層(ETL)當加入一外加偏壓使電子電

洞分別經過電洞傳輸層（Hole Transport Layer）與

電子傳輸層（Electron Transport Layer）後進入一

具有發光特性的有機物質在其內發生再結合時

形成一激發光子（exciton）後再將能量釋放出

來而回到基態（ground state）而這些釋放出來的

能量當中通常由於發光材料的選擇及電子自旋的

特性（spin state characteristics）只有 25（單重態

到基態singlet to ground state）的能量可以用來當

作OLED的發光其餘的 75（三重態到基態triplet

to ground state）是以磷光或熱的形式回歸到基態

由於所選擇的發光材料能階（band gap）的不同

可使這 25的能量以不同顏色的光的形式釋放出

來而形成 OLED 的發光現象

7-4-2 OLED 特點

高分子 OLED 元件的研究與發展便迅速成

長有機發光元件的相關領域得以快速進展得力

於它的元件特性及製作方式十分適合平面顯示器

的應用其特點如下

1不需晶態基板顯示器大小不受限制

2低溫製程可製作在任何基板上

3快速反應時間（ltμs）

4RGB 元件皆可製作

5低操作電壓

6高流明效率

7高亮度高對比

8自發光廣視角

和其他自發光顯示器技術如 CRTTFEL

PDP 及 FED 等相比較OLED 的操作電壓僅需數

伏特至十幾伏特明顯地遠低於其他技術（gt100

在排列整齊後經過段燒使得粒子排列更堅固

二維晶體主要使用光蝕刻法可以利用光罩的設

計達到光波導的效果讓晶體的排列更整齊晶格

更小

運用以上的製作方法將作出來的光子晶體依照

其物理性質應用在半導體之中

6-5 應用

蝕刻出來的二維光子晶體具有共振性對光

波有一定的選擇性也就是上述原理所說的 PBG

因此可利用將特定波長的光子濾出並轉向做為光

電儀器的訊號傳遞

若將多種不同粒徑大小的光子晶體合在一

起作成一多光子晶體晶格的積體材料加上晶體

的化學性質例如利用偏壓產生振動使晶格結構

改變讓選擇性改變在 detector 端會因為所接受

到的波長不同有不同的訊號產生就好像半導體電

子訊號的產生製造出機械語言 0101 的效果如

此一來便可應用在電子儀器上

但光子晶體通常是使用非導體的材料如二

氧化矽或聚合物的分子球化學性質穩定和物理性

質結構整齊所以大多不易受到酸鹼或外力的影

響在訊號的控制上有不小的困難為了解決這樣

的問題化學家便把半導體材料和有機化合物參雜

至其中

最常見的半導體材料參雜是用 CdSe製作技

術是利用光子晶體的粒子做為模板常用的是

Polystyrene sphere將具有 Cd2+Se2+的離溶液加

入其中以電度的方式將 CdSe 填滿粒子的空隙

在用有機溶液將粒子洗去剩下 CdSe 和之前粒子

所佔的空間如下圖所示

將溶液填入

電度移除粒子

光晶形成

SEM

這一類的光子晶體稱做逆光晶其原理與

光子晶體相同可用半導體偏壓的性質改變晶體

的結構控製訊號的傳遞

另一類的光子晶體是將有機化合物 coating在

粒子的表面通常是由小粒子一層一層 coating讓

粒子越長越大再做沉澱如下圖

利用有機合成的方法step by step合成出粒

徑大小一至的球狀粒子其中粒徑的大小一致性很

重要是能否形成光子晶體的關鍵再 coating 有

機物上去靜置乾燥待液體除去後就完成了

這一類光子晶體通常以其化性為控製因

素可以用酸鹼光電控制而較令人值得討論研

究的範圍是在有機物具 photo sensitive便可用光子

來做為控制的開關達到完全的光積體材料再來是

有機物的光子晶體可運用在生物上利用生物體中

的酵素或是特定的環境做醫療的應用也依靠

分子的作用力在溶液中形成光子晶體利用化學家

的知識將光子晶體運用在各方面

現在光子晶體應用在半導體上仍處於剛起

步的狀態市面上較常見的半導體應用於大型的光

電算機其運算速度都較傳統的電腦快耗能也較

少大幅度降低訊號延遲在其它方面的應用有光

纖傳輸優點在於低耗能無訊號延遲可傳輸高

功率雷射在大角度的訊號流失低透鏡以光子

晶體做成的透鏡具備的優點有平面易製作消散

波可同時聚集沒有像差沒有成像極限在微波領

域利用光子晶體的特性可濾掉一些電磁波做

為輻射的防護避免病變也可用在微波天線的基

底減少微波吸收發熱降低發射器的損耗由上

面眾多的應用可以發現光子晶體不斷的出現在我

們生活當中逐漸取代舊的半導體材料將電子的

世代轉入光子的世紀讓我們靜靜期待光子晶體在

未來的發展

七有機半導體 鄭名宏

7-1 前言

有機半導體(organic semiconductors)是指任何

擁有半導體性值的有機物質自從科學家在 1948

發現苯二甲藍素 (phthlo cyanine)的導電性後正式

開始了研究有機半導體逐步解明有機結晶的電子

狀態隨著研究發展現在有機半導體已廣泛應用

在各種領域之中以下將介紹有機半導體的簡史及

特色再介紹有機發光半導體(OLED)有機薄膜電

晶體(OTFT)高分子有機太陽能電池等三個有機半

導體上熱門且具有潛力的領域

7-2 發展歷史

1977 年日本白川英樹(Hideki Shirakawa)教授

發表的氧化與碘摻雜聚乙炔(polyacetylene)的高導

電性發現透過摻雜的方式可以讓聚乙炔的導電

性提高12個數量級成為導體而另一方面由美

國賓州大學物理系Alan J Heeger與化學系Alan G

MacDiarmid在1974年發表的有機電子元件使用古

典的電子傳導理論解釋這些有機物質的導電率他

們三人的研究開啟了近代十多年來有機導電分子

等的研究開發為了表揚他們在導電高分子的發現

與發展他們三人也在2000年共同獲得了諾貝爾獎

化學獎

雖然有機半導體確實可以克服很多無機半導

體的不足但由於有機半導體先天對於金屬不穩

定低載子移動率(carrier mobility)以及有機材料與

電子元件難以整合等問題讓研究上碰到瓶頸有

機半導體之主動電子元件(有機發光二極體有機太

陽能電池及有機薄膜電晶體)在研發上一直無法突

破這種情形直到1987年美國科達公司的鄧青雲博

士等人利用類似PN接面的雙層有機結構製作出第

一個低電壓高效率的有機發光二極體克服了上

述大部分有關有機半導體的缺點鄧博士所使用的

有機材料的個別分子單元包含了以共價鍵結合的

約30~40個原子以這樣的有機材料所構成的有機

發光二極體被稱作小分子OLED在1990年英國劍

橋大學的研究人員利用有機高分子材料 poly

para-(phenylene vinylene)(PPV)製作出類似的電激

發光的元件此種有機發光二極體被稱作高分子

LED (Polymer Light-Emitting Diode PLED)自此

不但觸發了研究學者對OLEDPLED之密集的研

究也引起業界對OLEDPLED平面顯示器的興趣

有機半導體當今被廣泛使用於光電元件中例

如有機發光二極體(organic light-emitting diodes

OLED)有機太陽能電池(organic solar cells)有機

薄膜電晶體（Organic thin film transistorsOTFT）

的電化學電晶體(electrochemical transistors)與生物

探測的應用等

7-3 有機半導體的特色

有機半導體的優勢有可人工調節其物性有

無機化合物金屬所無的新物性亦即容易混合分

散於高分子化合物中又因可作成高分子狀態可

具備塑膠獨特的加工性成形性大量生產性經

濟性改變種類添加物等而可廣範圍改變特性

但其缺點是載子(擔體)的移動度小於無機半導

體因而不宜利用移動度有關的電氣物性實際

上最近實用化的塑膠熱阻體有機光半導體都是

高分子半導體利用其本身的電阻變化

7-4 有機發光半導體

有機發光二極體（ Organic Light-Emitting

Diode簡稱OLED）與 TFT-LCD「薄膜電晶體液

晶顯示器」（Thin Film Transistor Liquid Crystal

Display）是不同類型的產品部分國外又稱 OLED

為有機電激發光顯示（Organic Electroluminesence

Display OELD）

7-4-1 OLED 的結構與原理

OLED 的基本結構是由一薄而透明具半導體特

性之銦錫氧化物(ITO)與電力之正極相連再加上

另一個金屬陰極包成如三明治的結構整個 結

構層中包括了電洞傳輸層(HTL)發光層(EL)與

電子傳輸層(ETL)當加入一外加偏壓使電子電

洞分別經過電洞傳輸層（Hole Transport Layer）與

電子傳輸層（Electron Transport Layer）後進入一

具有發光特性的有機物質在其內發生再結合時

形成一激發光子（exciton）後再將能量釋放出

來而回到基態（ground state）而這些釋放出來的

能量當中通常由於發光材料的選擇及電子自旋的

特性（spin state characteristics）只有 25（單重態

到基態singlet to ground state）的能量可以用來當

作OLED的發光其餘的 75（三重態到基態triplet

to ground state）是以磷光或熱的形式回歸到基態

由於所選擇的發光材料能階（band gap）的不同

可使這 25的能量以不同顏色的光的形式釋放出

來而形成 OLED 的發光現象

7-4-2 OLED 特點

高分子 OLED 元件的研究與發展便迅速成

長有機發光元件的相關領域得以快速進展得力

於它的元件特性及製作方式十分適合平面顯示器

的應用其特點如下

1不需晶態基板顯示器大小不受限制

2低溫製程可製作在任何基板上

3快速反應時間（ltμs）

4RGB 元件皆可製作

5低操作電壓

6高流明效率

7高亮度高對比

8自發光廣視角

和其他自發光顯示器技術如 CRTTFEL

PDP 及 FED 等相比較OLED 的操作電壓僅需數

伏特至十幾伏特明顯地遠低於其他技術（gt100

的結構控製訊號的傳遞

另一類的光子晶體是將有機化合物 coating在

粒子的表面通常是由小粒子一層一層 coating讓

粒子越長越大再做沉澱如下圖

利用有機合成的方法step by step合成出粒

徑大小一至的球狀粒子其中粒徑的大小一致性很

重要是能否形成光子晶體的關鍵再 coating 有

機物上去靜置乾燥待液體除去後就完成了

這一類光子晶體通常以其化性為控製因

素可以用酸鹼光電控制而較令人值得討論研

究的範圍是在有機物具 photo sensitive便可用光子

來做為控制的開關達到完全的光積體材料再來是

有機物的光子晶體可運用在生物上利用生物體中

的酵素或是特定的環境做醫療的應用也依靠

分子的作用力在溶液中形成光子晶體利用化學家

的知識將光子晶體運用在各方面

現在光子晶體應用在半導體上仍處於剛起

步的狀態市面上較常見的半導體應用於大型的光

電算機其運算速度都較傳統的電腦快耗能也較

少大幅度降低訊號延遲在其它方面的應用有光

纖傳輸優點在於低耗能無訊號延遲可傳輸高

功率雷射在大角度的訊號流失低透鏡以光子

晶體做成的透鏡具備的優點有平面易製作消散

波可同時聚集沒有像差沒有成像極限在微波領

域利用光子晶體的特性可濾掉一些電磁波做

為輻射的防護避免病變也可用在微波天線的基

底減少微波吸收發熱降低發射器的損耗由上

面眾多的應用可以發現光子晶體不斷的出現在我

們生活當中逐漸取代舊的半導體材料將電子的

世代轉入光子的世紀讓我們靜靜期待光子晶體在

未來的發展

七有機半導體 鄭名宏

7-1 前言

有機半導體(organic semiconductors)是指任何

擁有半導體性值的有機物質自從科學家在 1948

發現苯二甲藍素 (phthlo cyanine)的導電性後正式

開始了研究有機半導體逐步解明有機結晶的電子

狀態隨著研究發展現在有機半導體已廣泛應用

在各種領域之中以下將介紹有機半導體的簡史及

特色再介紹有機發光半導體(OLED)有機薄膜電

晶體(OTFT)高分子有機太陽能電池等三個有機半

導體上熱門且具有潛力的領域

7-2 發展歷史

1977 年日本白川英樹(Hideki Shirakawa)教授

發表的氧化與碘摻雜聚乙炔(polyacetylene)的高導

電性發現透過摻雜的方式可以讓聚乙炔的導電

性提高12個數量級成為導體而另一方面由美

國賓州大學物理系Alan J Heeger與化學系Alan G

MacDiarmid在1974年發表的有機電子元件使用古

典的電子傳導理論解釋這些有機物質的導電率他

們三人的研究開啟了近代十多年來有機導電分子

等的研究開發為了表揚他們在導電高分子的發現

與發展他們三人也在2000年共同獲得了諾貝爾獎

化學獎

雖然有機半導體確實可以克服很多無機半導

體的不足但由於有機半導體先天對於金屬不穩

定低載子移動率(carrier mobility)以及有機材料與

電子元件難以整合等問題讓研究上碰到瓶頸有

機半導體之主動電子元件(有機發光二極體有機太

陽能電池及有機薄膜電晶體)在研發上一直無法突

破這種情形直到1987年美國科達公司的鄧青雲博

士等人利用類似PN接面的雙層有機結構製作出第

一個低電壓高效率的有機發光二極體克服了上

述大部分有關有機半導體的缺點鄧博士所使用的

有機材料的個別分子單元包含了以共價鍵結合的

約30~40個原子以這樣的有機材料所構成的有機

發光二極體被稱作小分子OLED在1990年英國劍

橋大學的研究人員利用有機高分子材料 poly

para-(phenylene vinylene)(PPV)製作出類似的電激

發光的元件此種有機發光二極體被稱作高分子

LED (Polymer Light-Emitting Diode PLED)自此

不但觸發了研究學者對OLEDPLED之密集的研

究也引起業界對OLEDPLED平面顯示器的興趣

有機半導體當今被廣泛使用於光電元件中例

如有機發光二極體(organic light-emitting diodes

OLED)有機太陽能電池(organic solar cells)有機

薄膜電晶體（Organic thin film transistorsOTFT）

的電化學電晶體(electrochemical transistors)與生物

探測的應用等

7-3 有機半導體的特色

有機半導體的優勢有可人工調節其物性有

無機化合物金屬所無的新物性亦即容易混合分

散於高分子化合物中又因可作成高分子狀態可

具備塑膠獨特的加工性成形性大量生產性經

濟性改變種類添加物等而可廣範圍改變特性

但其缺點是載子(擔體)的移動度小於無機半導

體因而不宜利用移動度有關的電氣物性實際

上最近實用化的塑膠熱阻體有機光半導體都是

高分子半導體利用其本身的電阻變化

7-4 有機發光半導體

有機發光二極體（ Organic Light-Emitting

Diode簡稱OLED）與 TFT-LCD「薄膜電晶體液

晶顯示器」（Thin Film Transistor Liquid Crystal

Display）是不同類型的產品部分國外又稱 OLED

為有機電激發光顯示（Organic Electroluminesence

Display OELD）

7-4-1 OLED 的結構與原理

OLED 的基本結構是由一薄而透明具半導體特

性之銦錫氧化物(ITO)與電力之正極相連再加上

另一個金屬陰極包成如三明治的結構整個 結

構層中包括了電洞傳輸層(HTL)發光層(EL)與

電子傳輸層(ETL)當加入一外加偏壓使電子電

洞分別經過電洞傳輸層（Hole Transport Layer）與

電子傳輸層（Electron Transport Layer）後進入一

具有發光特性的有機物質在其內發生再結合時

形成一激發光子（exciton）後再將能量釋放出

來而回到基態（ground state）而這些釋放出來的

能量當中通常由於發光材料的選擇及電子自旋的

特性（spin state characteristics）只有 25（單重態

到基態singlet to ground state）的能量可以用來當

作OLED的發光其餘的 75（三重態到基態triplet

to ground state）是以磷光或熱的形式回歸到基態

由於所選擇的發光材料能階（band gap）的不同

可使這 25的能量以不同顏色的光的形式釋放出

來而形成 OLED 的發光現象

7-4-2 OLED 特點

高分子 OLED 元件的研究與發展便迅速成

長有機發光元件的相關領域得以快速進展得力

於它的元件特性及製作方式十分適合平面顯示器

的應用其特點如下

1不需晶態基板顯示器大小不受限制

2低溫製程可製作在任何基板上

3快速反應時間（ltμs）

4RGB 元件皆可製作

5低操作電壓

6高流明效率

7高亮度高對比

8自發光廣視角

和其他自發光顯示器技術如 CRTTFEL

PDP 及 FED 等相比較OLED 的操作電壓僅需數

伏特至十幾伏特明顯地遠低於其他技術（gt100

如有機發光二極體(organic light-emitting diodes

OLED)有機太陽能電池(organic solar cells)有機

薄膜電晶體（Organic thin film transistorsOTFT）

的電化學電晶體(electrochemical transistors)與生物

探測的應用等

7-3 有機半導體的特色

有機半導體的優勢有可人工調節其物性有

無機化合物金屬所無的新物性亦即容易混合分

散於高分子化合物中又因可作成高分子狀態可

具備塑膠獨特的加工性成形性大量生產性經

濟性改變種類添加物等而可廣範圍改變特性

但其缺點是載子(擔體)的移動度小於無機半導

體因而不宜利用移動度有關的電氣物性實際

上最近實用化的塑膠熱阻體有機光半導體都是

高分子半導體利用其本身的電阻變化

7-4 有機發光半導體

有機發光二極體（ Organic Light-Emitting

Diode簡稱OLED）與 TFT-LCD「薄膜電晶體液

晶顯示器」（Thin Film Transistor Liquid Crystal

Display）是不同類型的產品部分國外又稱 OLED

為有機電激發光顯示（Organic Electroluminesence

Display OELD）

7-4-1 OLED 的結構與原理

OLED 的基本結構是由一薄而透明具半導體特

性之銦錫氧化物(ITO)與電力之正極相連再加上

另一個金屬陰極包成如三明治的結構整個 結

構層中包括了電洞傳輸層(HTL)發光層(EL)與

電子傳輸層(ETL)當加入一外加偏壓使電子電

洞分別經過電洞傳輸層（Hole Transport Layer）與

電子傳輸層（Electron Transport Layer）後進入一

具有發光特性的有機物質在其內發生再結合時

形成一激發光子（exciton）後再將能量釋放出

來而回到基態（ground state）而這些釋放出來的

能量當中通常由於發光材料的選擇及電子自旋的

特性（spin state characteristics）只有 25（單重態

到基態singlet to ground state）的能量可以用來當

作OLED的發光其餘的 75（三重態到基態triplet

to ground state）是以磷光或熱的形式回歸到基態

由於所選擇的發光材料能階（band gap）的不同

可使這 25的能量以不同顏色的光的形式釋放出

來而形成 OLED 的發光現象

7-4-2 OLED 特點

高分子 OLED 元件的研究與發展便迅速成

長有機發光元件的相關領域得以快速進展得力

於它的元件特性及製作方式十分適合平面顯示器

的應用其特點如下

1不需晶態基板顯示器大小不受限制

2低溫製程可製作在任何基板上

3快速反應時間（ltμs）

4RGB 元件皆可製作

5低操作電壓

6高流明效率

7高亮度高對比

8自發光廣視角

和其他自發光顯示器技術如 CRTTFEL

PDP 及 FED 等相比較OLED 的操作電壓僅需數

伏特至十幾伏特明顯地遠低於其他技術（gt100

伏特）另外 OLED 材料良好的機械韌性和低溫製

程使其可以很容易地製作在任何輕薄甚至可

撓曲（Rollable）的基板上（如塑膠基板）而相較

於現在的 LCD 而言OLED 具備了更薄更輕主

動發光廣視角高清晰反應快速低能耗低

溫抗震性能優異潛在的低製造成本柔性和環

保設計等等優異的性能因而被視為是下一代最具

前瞻性與發展性的平面顯示器尤其是 OLED 能被

製作成具可撓性柔性的面板的特性因此吸引了

相當多研究團隊投入研發的工作未來將有機會開

發出可折疊式螢幕電腦等商業化產品

7-4-3 OLED的缺點

但目前OLED的發展仍有一些問題需要解決

1量產技術普遍不足無論小分子高分子顯示

器皆要投入相當的資源進行量產技術之開發目前

與國外洽談專利或技術授權大多屬實驗是技術

並無完整統包(turn-key)技術即使洽妥少數能量產

技術及材料授權權利金價格相當可貴對於國內

業者之競爭力將產生不利影響

2壽命問題有機材料易受水和氧氣的影響而

劣化耐熱問題有機薄膜結構上的缺陷材料接

面的劣化（電極和有機薄膜有機薄膜和有機薄膜

間等等）

3色度有機材料目前存在著發光的色度不純

的問題這將導致顯示出的色彩不佳

4大尺寸問題尺寸做大後會有如何驅動顯示

器以及發光如何做得均勻的問題

當 OLED 技術更進一步解決了這些缺點後在

不久的將來我們也許可以看到由有機半導體所製

成的 OLED 取代現有的 TFT-LCD 成為新一代的顯

示器

7-5 有機薄膜電晶體

有機薄膜電晶體（Organic thin film transistors

簡稱 OTFT）是由有機共軛高分子材料為其主動層

所製成之電晶體過去十年以來薄膜電晶體(TFT)

的材料都以無機材料為主主要原因就是有機半導

體材質的載子移動率(Mobility)相對於無機材料而

言太低因此 OTFT）的性能無法達到如無機電晶

體(如矽鍺)般的表現且兩者的載子移動率差距

達 3 個 order 以上故 OTFT 不適合應用於需要高

切換速率的裝置上

與傳統之無機電晶體比較起來有機薄膜電晶

體可在低溫下製作因此在基板選擇上可採用較輕

薄且便宜之塑膠取代玻璃OTFT通常是利用蒸鍍

或噴墨製程將小分子或高分子有機半導體材料

圖案化於電晶體之源極與汲極間而這些有機材料

一般是以凡得瓦力(Van de Waals)結合比共價鍵結

合之矽更具有延展性與彈性由於OTFT的製程特

性以及可彎曲的特性展現出了它在某些顯示器上

發展潛力例如電子紙及電子書

TFT OTFT

材

料

非晶矽(Amorphous）

或多晶矽

(Poly-Silicon)

小分子(Small Molecular)

高分子(Polymer)

有機金屬錯合物

(Complex)

製

程類似半導體製程高溫 印刷製程

製

程

溫

度

（200~400 度） 較低（lt100 度）

成

本昂貴 較便宜

7-5-1 OTFT 在電子紙上的應用與發展潛力

電子紙是一種超輕超薄 且具有與普通紙接

近的顯示屏由於可以折疊捲起也非主動發光的

顯示元件在使用上的感覺與一般紙類接近電

子紙的顯示原理是利用微膠囊(microcapsule)技

術把電泳液以及懸浮的色素顆粒包裹在微米尺寸

的微膠囊內形成了電子油墨(electronic ink)概念

上每一個微膠囊包含了正電性白色粒子與負電性

黑色粒子懸浮在潔淨液體之中當施加負電場時

白色粒子就會往膠囊上方移動讓使用者看到該

處顯示出白色同時會有另一正電場施予讓黑

色粒子往膠囊下面移動並藏匿讓使用者看不見

如果上述電場倒轉施於則會有相反的結果顯示

2009 年 3 月我國工研院發表了可剪裁無須

電力且可無限使用的電子紙應用 OTFT 技術

採用膽固醇液晶及反射技術不需要背光源就能

反射周遭環境光可在日光下閱讀且畫面具有記

憶功能不需耗電即可顯示且最長可逾三公尺為

全球最長如今已獲得兩百一十七件專利遙遙領先

全球

電子紙就像是「可擦寫的顯示器」與玻璃製

成的電子書相較不但可剪裁摺疊還可無限重

複使用而無須電力不需背光與能減碳更可多

元應用預計至二一五年時將可創造兩百卅七

億美元商機

7-6 高分子有機太陽能電池

太陽光取之不盡用之不竭且發電設備不受

土地環評限制之特性使高分子有機太陽能電池成

為未來再生能源與替代能源之首選由於具備質

輕可撓曲製程環保低成本及應用性佳等優點

高分子有機太陽能電池為最具潛力的新興太陽能

電池

7-6-1 高分子太陽能電池原理

高分子太陽能電池的特點為光主要由 Donor

材料（共軛高分子Conjugated Polymer）吸收由

於共軛高分子材料具高的吸收係數因此其元件的

厚度為 100nm(Polycrystalline CuInSe CdTe 1μm

Crystalline Silcon 100μm ）為最輕薄的太陽能電

池利用 Donor-type 材料與 Acceptor-type 材料進

行混摻藉由太陽光的照射以產生電子與電洞對

(ElectronHole Pair)最後電子與電洞分離並分別

經由電子與電洞傳導材料傳輸至陰陽電極而形成

電壓降以產生電能由於有機半導體材料 Exciton

有 較 高 的 束 縛 能 （ Binding Energy 約 在

02~10eV）與無機材料（矽的 Binding Energy約

0015eV）相比其束縛能約大上一兩個 Order

故於室溫條件下有機材料無法形成自由的電子或

電洞(Free Carriers)必須藉由 N 型與 P 型材料界

面的勢能差才能達到電子與電洞分離的效果目

前最常見之有機混成太陽光電系統主要採 A J

Heeger 與 F Wudl 所設計的 BHJ 結構元件結構

如(b)所示

高分子太陽能電池的(a)發電原理(b)元件結構

下圖為高分子碳材太陽能電池之元件結構的

SEM 圖由圖中可以更清楚的了解到其元件構

造以高分子 碳材混摻系統所組成的主動層材

料配合 ITO 基材與 Poly(34-ethylenedioxythio-

phene)poly(styrenesulfonate)(PEDOT PSS)組成的陽

極及以陰極（鋁(Al）所構成其結構看似簡單然

不同層材料的選擇皆有其限制與功用當中 ITO

為照光面的透明電極材料必需具備高導電度及高

穿透度功能（於可見區域穿透度 Tgt85）而

PEDOT PSS 主要功能為修飾 ITO 的 Work

Function（減少 Hole Injection Barrier 使電洞傳導

效率提昇）並使基板平坦化另外亦扮演電子阻

檔(Electron Blocking)的角色ITOPEDOT 及 Al 電

極的選擇亦是在能階考量下所搭配出

ITOPEDOT 的 Work Function 必須配合 P3HT 的

HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital)能階

才能有效的將電洞引導出來而 Al 的選擇也是符

合 由 PCBM 的 LUMO(Lowest Unoccupied

Molecular Orbital)萃取出電子需求的緣故另外如

圖二所示一般亦會於主動層(Active Layer)上鍍上

LiF 或 Ca 而藉由這層材料的導入可以增進

Electron Injection並幫助效率的提昇

高分子太陽能電池結構示意圖及其 Crosssection

SEM 圖

7-6-2 商業化因素分析

對於傳統的矽晶太陽能電池而言製造成本著

實為一昂貴投資由於這種需高成本結構的科技產

業投資使全球的能源製造產業成長受到明顯的壓

抑雖然近期油價高漲及溫室效應問題才再次帶

動太陽 能電池的高度發展對於如何降低成本達

到 1 USDW 以下仍是產業持續努力的目標雖

然大家對有機太陽能電池的特性（可攜帶多次使

用環保）表示高度興趣但成本及實用性才是決

定生產投資之關鍵因素由 於有機電池在製造成

本上佔有相當優勢首先採用塑膠基板能使用一般

標準的網印(Screen Printing)及塗佈(Spin Coating)技

術製程再以塑膠薄膜封裝其低廉設備成本成

為此技術吸引人的利基點綜觀有機太陽能電池著

實有許多引人注目的特點

1質輕可撓及透光性佳

2可使用連續列印(Printing)製程大量製造

3可使用大面積(Coating)技術製造

4易整合在不同產品（電子產品）做應用

5相較於傳統矽晶電池其成本明顯降低許多

6兼具環保及經濟二大優勢然其真正商業化

必須同時有效率生命期成本等三大因素配合

高分子有機太陽能電池目前可達gt5光電轉

換效率且適用於液相製程可達大面積環保製程

要求其質輕可撓低成本的優點使其成為備

受矚目的第三代新型太陽能電池系統目前發展重

點為效率之提昇以及製程放大技術相關產品應用

則鎖定在消費性電子產品如電腦錶感應器及

其它的創新應用如手機充電器玩具另外將電

池元件整合到衣著野外活動用品建築材料以及

軍事用品也是可撓式元件的特色

7 有機半導體未來展望

有機材料由於具有低成本製程容易及可撓性等

特色因此應用於光電產業是備受矚目的課題但

是本身幾近於絕緣的電氣特性是其受爭議的地

方然而在各方的努力 下有機半導體材料的

應用成果是有目共睹的在 OLED 方面低驅動電

壓高效率的商品已經上市許久對於有機半導體

材料的電性壽命及製程技術皆一一被 克服並

以下一世代顯示器的稱號躋身於平面顯示器之

首而在 OTFT 方面雖然受制於電性無法展現

令人滿意得載子傳輸速率但是已經迎頭趕上 a-Si

TFT 的表現且漸漸步向應用的軌道電子紙及電

子書等相關的應用產品潛力十足未來的發展前景

可期

八量子點於生物系統分析之研究 劉子晨

8-1 簡介

當物質三個維度的尺寸都小於稱為費米波長

的電子物質波波長時內部電子在各方向的運動都

會受到局限形成了類似原子的不連續電子能階

這種物質便稱為人造原子或量子點量子點

(quantum dot)是準零維(quasi-zero-dimensional)的奈

米材料由少量的原子所構成量子點三個維度的

尺寸都在 100 奈米(nm)以下外觀恰似一極小的點

狀物其內部電子在各方向上的運動都受到侷限

所以量子侷限效應(quantum confinement effect)特

別顯著由於量子侷限效應會導致類似原子的不連

續電子能階結構因此量子點又被稱為「人造原子」

(artificial atom)

最早在實驗室內合成量子點的是 1993 年麻

省理工學院巴文迪教授（Prof Bawendi）的研究群

他們以膠體化學法合成出奈米半導體材料硒化鎘

（CdSe）他們發現當硒化鎘粒徑在 21 奈米

26 奈米與 45 奈米時會分別發出藍色綠色及

接近紅色的螢光這種有趣的尺寸效應吸引了許

多學者投入以鎘為主的半導體量子點研究探討其

螢光顏色的調控螢光效能生物相容性的提升等

1998 年美國加州大學柏克萊分校的阿利維

撒斯托教授（Prof Alivisatos）等人首先把量子點

應用於生醫領域其後經過許多學者的研究含

鎘量子點的粒徑與螢光調控技術漸趨成熟相較於

傳統有機染料分子量子點有更多生醫應用的優

點螢光亮度強光穩定性佳（即螢光時效久沒

有光漂白作用）用單一波長雷射就可激發不同粒

徑的量子點發出多種波長的發射波發射波狹窄且

對稱可重複激發等

量子點之放光波長與傳統發光體比較

8-2 原理

電子具有粒子性與波動性電子的物質波特

性取決於其費米波長(Fermi wavelength)

λF = 2π kF

在一般塊材中電子的波長遠小於塊材尺

寸因此量子侷限效應不顯著如果將某一個維度

的尺寸縮到小於一個波長（如圖一所示）此時電

子只能在另外兩個維度所構成的二維空間中自由

運動這樣的系統我們稱為量子井(quantum well)

如果我們再將另一個維度的尺寸縮到小於一個波

長則電子只能在一維方向上運動我們稱為量子

線(quantum wire)當三個維度的尺寸都縮小到一個

波長以下時就成為量子點了

圖一量子井量子線及量子點與電子的物質波波

長關係示意圖

由於不同材料的費米波長並不相同因此形

成量子點所需的尺寸也不一樣一般而言半導體

內的電子費米波長比金屬長很多例如半導體材料

砷化鎵（GaAs）的費米波長約 40 奈米在鋁金屬

中卻只有 036 奈米

因為量子點之電子能階為不連續增加或減

少其原子數目會改變能隙 (bandgap)能隙的大小

與量子點大小成反比故當量子點愈小所放出的

波長會藍位移 (blue shift)下圖為 CdTe 電子點可

調控波長性示意圖

量子點之所以為半導體則可由下面圖所示

其中不同金屬組合會產生不同能隙在應用上有很

大的實用性

-3 量子點之表面修飾

一般來說都是量測於有機

8

量子點之光學性質

溶劑中存在於水溶液會使得其發光強度大大降

低這樣的現象據推測是因為量子點表面與水產生

反應會產生導電帶電子陷阱(trap)故若欲將量子

點用於生物偵測首先必須修飾其表面修飾的方

法例如「被動化(passivation)」亦即將其表面佈上

保護層如蛋白質氧化矽或聚合物層但被動化層

雖然能保存光學性質卻無法應用於生物系統故

需要其他方法能同時解決兩種問題使用與量子點

表面產生共價或離子作用力的水溶性或巨分子包

覆物(macromolecules capping agents)如下圖所示

-4 量子點於生物探測之應用

面修飾成抗原並藉由

8

8-4-1 藉由抗原抗體辨識

如下圖將量子點表

抗原抗體之專一性以及量子點之放光可調整性

則可以同時偵測不同抗體圖中可一次偵測四種

毒素 cholera toxin (CT) ricin shiga-like toxin 1

(SLT) and staphylococcal enterotoxin B (SEB)並表

現於單一平盤(plate)上

8-4-2 藉由抗生物素蛋白及生物素之結合定量

用 抗生物素蛋白(avidin)及生物素(biotin)之作

力為目前已知最強的生物分子結合力故將分析物

接上抗生物素蛋白與接上生物素之量子點作用可

藉由螢光強度來定量分析物

8-4-3 藉由螢光共振能量傳遞偵測分析物作用力

y

ansfe

螢光共振能量傳遞(Foumlrster resonance energ

tr r FRET)是一種與距離有關之螢光的傳遞當

傳遞者(donor)之放光與接受者(acceptor)知吸光有

重疊時激發傳遞者則可看到接受者放光如下

圖BHQ 當淬滅劑(quencher)當接上 BHQ 的

trinitrobenzene (TNB)與量子點有作用時此時給予

激發不會看到放光而當 trinitrotoluene (TNT)競爭

取代 TNB 之後螢光強度即隨著取代者的濃度而

上升

參考文獻

故事 新新聞出版 (1999) 李雅明

wwwcsghstpedutw~phyonline-teacht

nductor

Julian S Semiconductor

exphptitle=E9

九

1 半導體的

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2 http

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Taiwan 2005 pp 436-453

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7 re (EYablonovitch

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B

R

Chem Int Ed 2008 47 7602ndash7625

7-5-1 OTFT 在電子紙上的應用與發展潛力

電子紙是一種超輕超薄 且具有與普通紙接

近的顯示屏由於可以折疊捲起也非主動發光的

顯示元件在使用上的感覺與一般紙類接近電

子紙的顯示原理是利用微膠囊(microcapsule)技

術把電泳液以及懸浮的色素顆粒包裹在微米尺寸

的微膠囊內形成了電子油墨(electronic ink)概念

上每一個微膠囊包含了正電性白色粒子與負電性

黑色粒子懸浮在潔淨液體之中當施加負電場時

白色粒子就會往膠囊上方移動讓使用者看到該

處顯示出白色同時會有另一正電場施予讓黑

色粒子往膠囊下面移動並藏匿讓使用者看不見

如果上述電場倒轉施於則會有相反的結果顯示

2009 年 3 月我國工研院發表了可剪裁無須

電力且可無限使用的電子紙應用 OTFT 技術

採用膽固醇液晶及反射技術不需要背光源就能

反射周遭環境光可在日光下閱讀且畫面具有記

憶功能不需耗電即可顯示且最長可逾三公尺為

全球最長如今已獲得兩百一十七件專利遙遙領先

全球

電子紙就像是「可擦寫的顯示器」與玻璃製

成的電子書相較不但可剪裁摺疊還可無限重

複使用而無須電力不需背光與能減碳更可多

元應用預計至二一五年時將可創造兩百卅七

億美元商機

7-6 高分子有機太陽能電池

太陽光取之不盡用之不竭且發電設備不受

土地環評限制之特性使高分子有機太陽能電池成

為未來再生能源與替代能源之首選由於具備質

輕可撓曲製程環保低成本及應用性佳等優點

高分子有機太陽能電池為最具潛力的新興太陽能

電池

7-6-1 高分子太陽能電池原理

高分子太陽能電池的特點為光主要由 Donor

材料（共軛高分子Conjugated Polymer）吸收由

於共軛高分子材料具高的吸收係數因此其元件的

厚度為 100nm(Polycrystalline CuInSe CdTe 1μm

Crystalline Silcon 100μm ）為最輕薄的太陽能電

池利用 Donor-type 材料與 Acceptor-type 材料進

行混摻藉由太陽光的照射以產生電子與電洞對

(ElectronHole Pair)最後電子與電洞分離並分別

經由電子與電洞傳導材料傳輸至陰陽電極而形成

電壓降以產生電能由於有機半導體材料 Exciton

有 較 高 的 束 縛 能 （ Binding Energy 約 在

02~10eV）與無機材料（矽的 Binding Energy約

0015eV）相比其束縛能約大上一兩個 Order

故於室溫條件下有機材料無法形成自由的電子或

電洞(Free Carriers)必須藉由 N 型與 P 型材料界

面的勢能差才能達到電子與電洞分離的效果目

前最常見之有機混成太陽光電系統主要採 A J

Heeger 與 F Wudl 所設計的 BHJ 結構元件結構

如(b)所示

高分子太陽能電池的(a)發電原理(b)元件結構

下圖為高分子碳材太陽能電池之元件結構的

SEM 圖由圖中可以更清楚的了解到其元件構

造以高分子 碳材混摻系統所組成的主動層材

料配合 ITO 基材與 Poly(34-ethylenedioxythio-

phene)poly(styrenesulfonate)(PEDOT PSS)組成的陽

極及以陰極（鋁(Al）所構成其結構看似簡單然

不同層材料的選擇皆有其限制與功用當中 ITO

為照光面的透明電極材料必需具備高導電度及高

穿透度功能（於可見區域穿透度 Tgt85）而

PEDOT PSS 主要功能為修飾 ITO 的 Work

Function（減少 Hole Injection Barrier 使電洞傳導

效率提昇）並使基板平坦化另外亦扮演電子阻

檔(Electron Blocking)的角色ITOPEDOT 及 Al 電

極的選擇亦是在能階考量下所搭配出

ITOPEDOT 的 Work Function 必須配合 P3HT 的

HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital)能階

才能有效的將電洞引導出來而 Al 的選擇也是符

合 由 PCBM 的 LUMO(Lowest Unoccupied

Molecular Orbital)萃取出電子需求的緣故另外如

圖二所示一般亦會於主動層(Active Layer)上鍍上

LiF 或 Ca 而藉由這層材料的導入可以增進

Electron Injection並幫助效率的提昇

高分子太陽能電池結構示意圖及其 Crosssection

SEM 圖

7-6-2 商業化因素分析

對於傳統的矽晶太陽能電池而言製造成本著

實為一昂貴投資由於這種需高成本結構的科技產

業投資使全球的能源製造產業成長受到明顯的壓

抑雖然近期油價高漲及溫室效應問題才再次帶

動太陽 能電池的高度發展對於如何降低成本達

到 1 USDW 以下仍是產業持續努力的目標雖

然大家對有機太陽能電池的特性（可攜帶多次使

用環保）表示高度興趣但成本及實用性才是決

定生產投資之關鍵因素由 於有機電池在製造成

本上佔有相當優勢首先採用塑膠基板能使用一般

標準的網印(Screen Printing)及塗佈(Spin Coating)技

術製程再以塑膠薄膜封裝其低廉設備成本成

為此技術吸引人的利基點綜觀有機太陽能電池著

實有許多引人注目的特點

1質輕可撓及透光性佳

2可使用連續列印(Printing)製程大量製造

3可使用大面積(Coating)技術製造

4易整合在不同產品（電子產品）做應用

5相較於傳統矽晶電池其成本明顯降低許多

6兼具環保及經濟二大優勢然其真正商業化

必須同時有效率生命期成本等三大因素配合

高分子有機太陽能電池目前可達gt5光電轉

換效率且適用於液相製程可達大面積環保製程

要求其質輕可撓低成本的優點使其成為備

受矚目的第三代新型太陽能電池系統目前發展重

點為效率之提昇以及製程放大技術相關產品應用

則鎖定在消費性電子產品如電腦錶感應器及

其它的創新應用如手機充電器玩具另外將電

池元件整合到衣著野外活動用品建築材料以及

軍事用品也是可撓式元件的特色

7 有機半導體未來展望

有機材料由於具有低成本製程容易及可撓性等

特色因此應用於光電產業是備受矚目的課題但

是本身幾近於絕緣的電氣特性是其受爭議的地

方然而在各方的努力 下有機半導體材料的

應用成果是有目共睹的在 OLED 方面低驅動電

壓高效率的商品已經上市許久對於有機半導體

材料的電性壽命及製程技術皆一一被 克服並

以下一世代顯示器的稱號躋身於平面顯示器之

首而在 OTFT 方面雖然受制於電性無法展現

令人滿意得載子傳輸速率但是已經迎頭趕上 a-Si

TFT 的表現且漸漸步向應用的軌道電子紙及電

子書等相關的應用產品潛力十足未來的發展前景

可期

八量子點於生物系統分析之研究 劉子晨

8-1 簡介

當物質三個維度的尺寸都小於稱為費米波長

的電子物質波波長時內部電子在各方向的運動都

會受到局限形成了類似原子的不連續電子能階

這種物質便稱為人造原子或量子點量子點

(quantum dot)是準零維(quasi-zero-dimensional)的奈

米材料由少量的原子所構成量子點三個維度的

尺寸都在 100 奈米(nm)以下外觀恰似一極小的點

狀物其內部電子在各方向上的運動都受到侷限

所以量子侷限效應(quantum confinement effect)特

別顯著由於量子侷限效應會導致類似原子的不連

續電子能階結構因此量子點又被稱為「人造原子」

(artificial atom)

最早在實驗室內合成量子點的是 1993 年麻

省理工學院巴文迪教授（Prof Bawendi）的研究群

他們以膠體化學法合成出奈米半導體材料硒化鎘

（CdSe）他們發現當硒化鎘粒徑在 21 奈米

26 奈米與 45 奈米時會分別發出藍色綠色及

接近紅色的螢光這種有趣的尺寸效應吸引了許

多學者投入以鎘為主的半導體量子點研究探討其

螢光顏色的調控螢光效能生物相容性的提升等

1998 年美國加州大學柏克萊分校的阿利維

撒斯托教授（Prof Alivisatos）等人首先把量子點

應用於生醫領域其後經過許多學者的研究含

鎘量子點的粒徑與螢光調控技術漸趨成熟相較於

傳統有機染料分子量子點有更多生醫應用的優

點螢光亮度強光穩定性佳（即螢光時效久沒

有光漂白作用）用單一波長雷射就可激發不同粒

徑的量子點發出多種波長的發射波發射波狹窄且

對稱可重複激發等

量子點之放光波長與傳統發光體比較

8-2 原理

電子具有粒子性與波動性電子的物質波特

性取決於其費米波長(Fermi wavelength)

λF = 2π kF

在一般塊材中電子的波長遠小於塊材尺

寸因此量子侷限效應不顯著如果將某一個維度

的尺寸縮到小於一個波長（如圖一所示）此時電

子只能在另外兩個維度所構成的二維空間中自由

運動這樣的系統我們稱為量子井(quantum well)

如果我們再將另一個維度的尺寸縮到小於一個波

長則電子只能在一維方向上運動我們稱為量子

線(quantum wire)當三個維度的尺寸都縮小到一個

波長以下時就成為量子點了

圖一量子井量子線及量子點與電子的物質波波

長關係示意圖

由於不同材料的費米波長並不相同因此形

成量子點所需的尺寸也不一樣一般而言半導體

內的電子費米波長比金屬長很多例如半導體材料

砷化鎵（GaAs）的費米波長約 40 奈米在鋁金屬

中卻只有 036 奈米

因為量子點之電子能階為不連續增加或減

少其原子數目會改變能隙 (bandgap)能隙的大小

與量子點大小成反比故當量子點愈小所放出的

波長會藍位移 (blue shift)下圖為 CdTe 電子點可

調控波長性示意圖

量子點之所以為半導體則可由下面圖所示

其中不同金屬組合會產生不同能隙在應用上有很

大的實用性

-3 量子點之表面修飾

一般來說都是量測於有機

8

量子點之光學性質

溶劑中存在於水溶液會使得其發光強度大大降

低這樣的現象據推測是因為量子點表面與水產生

反應會產生導電帶電子陷阱(trap)故若欲將量子

點用於生物偵測首先必須修飾其表面修飾的方

法例如「被動化(passivation)」亦即將其表面佈上

保護層如蛋白質氧化矽或聚合物層但被動化層

雖然能保存光學性質卻無法應用於生物系統故

需要其他方法能同時解決兩種問題使用與量子點

表面產生共價或離子作用力的水溶性或巨分子包

覆物(macromolecules capping agents)如下圖所示

-4 量子點於生物探測之應用

面修飾成抗原並藉由

8

8-4-1 藉由抗原抗體辨識

如下圖將量子點表

抗原抗體之專一性以及量子點之放光可調整性

則可以同時偵測不同抗體圖中可一次偵測四種

毒素 cholera toxin (CT) ricin shiga-like toxin 1

(SLT) and staphylococcal enterotoxin B (SEB)並表

現於單一平盤(plate)上

8-4-2 藉由抗生物素蛋白及生物素之結合定量

用 抗生物素蛋白(avidin)及生物素(biotin)之作

力為目前已知最強的生物分子結合力故將分析物

接上抗生物素蛋白與接上生物素之量子點作用可

藉由螢光強度來定量分析物

8-4-3 藉由螢光共振能量傳遞偵測分析物作用力

y

ansfe

螢光共振能量傳遞(Foumlrster resonance energ

tr r FRET)是一種與距離有關之螢光的傳遞當

傳遞者(donor)之放光與接受者(acceptor)知吸光有

重疊時激發傳遞者則可看到接受者放光如下

圖BHQ 當淬滅劑(quencher)當接上 BHQ 的

trinitrobenzene (TNB)與量子點有作用時此時給予

激發不會看到放光而當 trinitrotoluene (TNT)競爭

取代 TNB 之後螢光強度即隨著取代者的濃度而

上升

參考文獻

故事 新新聞出版 (1999) 李雅明

wwwcsghstpedutw~phyonline-teacht

nductor

Julian S Semiconductor

exphptitle=E9

九

1 半導體的

著

2 http

each-WuCh8ppt26711半導體元件

3 Hong Xiao Introduction to semico

manufacturing technology Prentice Hall 2001

pp 313-334

4 Michael Q

manufacturing technology Pearson Education

Taiwan 2005 pp 436-453

5 httpzhwikipediaorgwind

9B86E68890E794B5E8B7

AFampvariant=zh-hant 維基百科

6 Luminescent Core-Shell Photonic Crystals

7 re (EYablonovitch

8 Gill M Zayats and I Willner Angew

from Poly (phenylene ethynylene) Coated

Silica Spheres (鄭修偉)

Photonic band-gap structu

Vol 10NO 2February 1933J Opt Soc Am

B

R

Chem Int Ed 2008 47 7602ndash7625

高分子太陽能電池的(a)發電原理(b)元件結構

下圖為高分子碳材太陽能電池之元件結構的

SEM 圖由圖中可以更清楚的了解到其元件構

造以高分子 碳材混摻系統所組成的主動層材

料配合 ITO 基材與 Poly(34-ethylenedioxythio-

phene)poly(styrenesulfonate)(PEDOT PSS)組成的陽

極及以陰極（鋁(Al）所構成其結構看似簡單然

不同層材料的選擇皆有其限制與功用當中 ITO

為照光面的透明電極材料必需具備高導電度及高

穿透度功能（於可見區域穿透度 Tgt85）而

PEDOT PSS 主要功能為修飾 ITO 的 Work

Function（減少 Hole Injection Barrier 使電洞傳導

效率提昇）並使基板平坦化另外亦扮演電子阻

檔(Electron Blocking)的角色ITOPEDOT 及 Al 電

極的選擇亦是在能階考量下所搭配出

ITOPEDOT 的 Work Function 必須配合 P3HT 的

HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital)能階

才能有效的將電洞引導出來而 Al 的選擇也是符

合 由 PCBM 的 LUMO(Lowest Unoccupied

Molecular Orbital)萃取出電子需求的緣故另外如

圖二所示一般亦會於主動層(Active Layer)上鍍上

LiF 或 Ca 而藉由這層材料的導入可以增進

Electron Injection並幫助效率的提昇

高分子太陽能電池結構示意圖及其 Crosssection

SEM 圖

7-6-2 商業化因素分析

對於傳統的矽晶太陽能電池而言製造成本著

實為一昂貴投資由於這種需高成本結構的科技產

業投資使全球的能源製造產業成長受到明顯的壓

抑雖然近期油價高漲及溫室效應問題才再次帶

動太陽 能電池的高度發展對於如何降低成本達

到 1 USDW 以下仍是產業持續努力的目標雖

然大家對有機太陽能電池的特性（可攜帶多次使

用環保）表示高度興趣但成本及實用性才是決

定生產投資之關鍵因素由 於有機電池在製造成

本上佔有相當優勢首先採用塑膠基板能使用一般

標準的網印(Screen Printing)及塗佈(Spin Coating)技

術製程再以塑膠薄膜封裝其低廉設備成本成

為此技術吸引人的利基點綜觀有機太陽能電池著

實有許多引人注目的特點

1質輕可撓及透光性佳

2可使用連續列印(Printing)製程大量製造

3可使用大面積(Coating)技術製造

4易整合在不同產品（電子產品）做應用

5相較於傳統矽晶電池其成本明顯降低許多

6兼具環保及經濟二大優勢然其真正商業化

必須同時有效率生命期成本等三大因素配合

高分子有機太陽能電池目前可達gt5光電轉

換效率且適用於液相製程可達大面積環保製程

要求其質輕可撓低成本的優點使其成為備

受矚目的第三代新型太陽能電池系統目前發展重

點為效率之提昇以及製程放大技術相關產品應用

則鎖定在消費性電子產品如電腦錶感應器及

其它的創新應用如手機充電器玩具另外將電

池元件整合到衣著野外活動用品建築材料以及

軍事用品也是可撓式元件的特色

7 有機半導體未來展望

有機材料由於具有低成本製程容易及可撓性等

特色因此應用於光電產業是備受矚目的課題但

是本身幾近於絕緣的電氣特性是其受爭議的地

方然而在各方的努力 下有機半導體材料的

應用成果是有目共睹的在 OLED 方面低驅動電

壓高效率的商品已經上市許久對於有機半導體

材料的電性壽命及製程技術皆一一被 克服並

以下一世代顯示器的稱號躋身於平面顯示器之

首而在 OTFT 方面雖然受制於電性無法展現

令人滿意得載子傳輸速率但是已經迎頭趕上 a-Si

TFT 的表現且漸漸步向應用的軌道電子紙及電

子書等相關的應用產品潛力十足未來的發展前景

可期

八量子點於生物系統分析之研究 劉子晨

8-1 簡介

當物質三個維度的尺寸都小於稱為費米波長

的電子物質波波長時內部電子在各方向的運動都

會受到局限形成了類似原子的不連續電子能階

這種物質便稱為人造原子或量子點量子點

(quantum dot)是準零維(quasi-zero-dimensional)的奈

米材料由少量的原子所構成量子點三個維度的

尺寸都在 100 奈米(nm)以下外觀恰似一極小的點

狀物其內部電子在各方向上的運動都受到侷限

所以量子侷限效應(quantum confinement effect)特

別顯著由於量子侷限效應會導致類似原子的不連

續電子能階結構因此量子點又被稱為「人造原子」

(artificial atom)

最早在實驗室內合成量子點的是 1993 年麻

省理工學院巴文迪教授（Prof Bawendi）的研究群

他們以膠體化學法合成出奈米半導體材料硒化鎘

（CdSe）他們發現當硒化鎘粒徑在 21 奈米

26 奈米與 45 奈米時會分別發出藍色綠色及

接近紅色的螢光這種有趣的尺寸效應吸引了許

多學者投入以鎘為主的半導體量子點研究探討其

螢光顏色的調控螢光效能生物相容性的提升等

1998 年美國加州大學柏克萊分校的阿利維

撒斯托教授（Prof Alivisatos）等人首先把量子點

應用於生醫領域其後經過許多學者的研究含

鎘量子點的粒徑與螢光調控技術漸趨成熟相較於

傳統有機染料分子量子點有更多生醫應用的優

點螢光亮度強光穩定性佳（即螢光時效久沒

有光漂白作用）用單一波長雷射就可激發不同粒

徑的量子點發出多種波長的發射波發射波狹窄且

對稱可重複激發等

量子點之放光波長與傳統發光體比較

8-2 原理

電子具有粒子性與波動性電子的物質波特

性取決於其費米波長(Fermi wavelength)

λF = 2π kF

在一般塊材中電子的波長遠小於塊材尺

寸因此量子侷限效應不顯著如果將某一個維度

的尺寸縮到小於一個波長（如圖一所示）此時電

子只能在另外兩個維度所構成的二維空間中自由

運動這樣的系統我們稱為量子井(quantum well)

如果我們再將另一個維度的尺寸縮到小於一個波

長則電子只能在一維方向上運動我們稱為量子

線(quantum wire)當三個維度的尺寸都縮小到一個

波長以下時就成為量子點了

圖一量子井量子線及量子點與電子的物質波波

長關係示意圖

由於不同材料的費米波長並不相同因此形

成量子點所需的尺寸也不一樣一般而言半導體

內的電子費米波長比金屬長很多例如半導體材料

砷化鎵（GaAs）的費米波長約 40 奈米在鋁金屬

中卻只有 036 奈米

因為量子點之電子能階為不連續增加或減

少其原子數目會改變能隙 (bandgap)能隙的大小

與量子點大小成反比故當量子點愈小所放出的

波長會藍位移 (blue shift)下圖為 CdTe 電子點可

調控波長性示意圖

量子點之所以為半導體則可由下面圖所示

其中不同金屬組合會產生不同能隙在應用上有很

大的實用性

-3 量子點之表面修飾

一般來說都是量測於有機

8

量子點之光學性質

溶劑中存在於水溶液會使得其發光強度大大降

低這樣的現象據推測是因為量子點表面與水產生

反應會產生導電帶電子陷阱(trap)故若欲將量子

點用於生物偵測首先必須修飾其表面修飾的方

法例如「被動化(passivation)」亦即將其表面佈上

保護層如蛋白質氧化矽或聚合物層但被動化層

雖然能保存光學性質卻無法應用於生物系統故

需要其他方法能同時解決兩種問題使用與量子點

表面產生共價或離子作用力的水溶性或巨分子包

覆物(macromolecules capping agents)如下圖所示

-4 量子點於生物探測之應用

面修飾成抗原並藉由

8

8-4-1 藉由抗原抗體辨識

如下圖將量子點表

抗原抗體之專一性以及量子點之放光可調整性

則可以同時偵測不同抗體圖中可一次偵測四種

毒素 cholera toxin (CT) ricin shiga-like toxin 1

(SLT) and staphylococcal enterotoxin B (SEB)並表

現於單一平盤(plate)上

8-4-2 藉由抗生物素蛋白及生物素之結合定量

用 抗生物素蛋白(avidin)及生物素(biotin)之作

力為目前已知最強的生物分子結合力故將分析物

接上抗生物素蛋白與接上生物素之量子點作用可

藉由螢光強度來定量分析物

8-4-3 藉由螢光共振能量傳遞偵測分析物作用力

y

ansfe

螢光共振能量傳遞(Foumlrster resonance energ

tr r FRET)是一種與距離有關之螢光的傳遞當

傳遞者(donor)之放光與接受者(acceptor)知吸光有

重疊時激發傳遞者則可看到接受者放光如下

圖BHQ 當淬滅劑(quencher)當接上 BHQ 的

trinitrobenzene (TNB)與量子點有作用時此時給予

激發不會看到放光而當 trinitrotoluene (TNT)競爭

取代 TNB 之後螢光強度即隨著取代者的濃度而

上升

參考文獻

故事 新新聞出版 (1999) 李雅明

wwwcsghstpedutw~phyonline-teacht

nductor

Julian S Semiconductor

exphptitle=E9

九

1 半導體的

著

2 http

each-WuCh8ppt26711半導體元件

3 Hong Xiao Introduction to semico

manufacturing technology Prentice Hall 2001

pp 313-334

4 Michael Q

manufacturing technology Pearson Education

Taiwan 2005 pp 436-453

5 httpzhwikipediaorgwind

9B86E68890E794B5E8B7

AFampvariant=zh-hant 維基百科

6 Luminescent Core-Shell Photonic Crystals

7 re (EYablonovitch

8 Gill M Zayats and I Willner Angew

from Poly (phenylene ethynylene) Coated

Silica Spheres (鄭修偉)

Photonic band-gap structu

Vol 10NO 2February 1933J Opt Soc Am

B

R

Chem Int Ed 2008 47 7602ndash7625

高分子有機太陽能電池目前可達gt5光電轉

換效率且適用於液相製程可達大面積環保製程

要求其質輕可撓低成本的優點使其成為備

受矚目的第三代新型太陽能電池系統目前發展重

點為效率之提昇以及製程放大技術相關產品應用

則鎖定在消費性電子產品如電腦錶感應器及

其它的創新應用如手機充電器玩具另外將電

池元件整合到衣著野外活動用品建築材料以及

軍事用品也是可撓式元件的特色

7 有機半導體未來展望

有機材料由於具有低成本製程容易及可撓性等

特色因此應用於光電產業是備受矚目的課題但

是本身幾近於絕緣的電氣特性是其受爭議的地

方然而在各方的努力 下有機半導體材料的

應用成果是有目共睹的在 OLED 方面低驅動電

壓高效率的商品已經上市許久對於有機半導體

材料的電性壽命及製程技術皆一一被 克服並

以下一世代顯示器的稱號躋身於平面顯示器之

首而在 OTFT 方面雖然受制於電性無法展現

令人滿意得載子傳輸速率但是已經迎頭趕上 a-Si

TFT 的表現且漸漸步向應用的軌道電子紙及電

子書等相關的應用產品潛力十足未來的發展前景

可期

八量子點於生物系統分析之研究 劉子晨

8-1 簡介

當物質三個維度的尺寸都小於稱為費米波長

的電子物質波波長時內部電子在各方向的運動都

會受到局限形成了類似原子的不連續電子能階

這種物質便稱為人造原子或量子點量子點

(quantum dot)是準零維(quasi-zero-dimensional)的奈

米材料由少量的原子所構成量子點三個維度的

尺寸都在 100 奈米(nm)以下外觀恰似一極小的點

狀物其內部電子在各方向上的運動都受到侷限

所以量子侷限效應(quantum confinement effect)特

別顯著由於量子侷限效應會導致類似原子的不連

續電子能階結構因此量子點又被稱為「人造原子」

(artificial atom)

最早在實驗室內合成量子點的是 1993 年麻

省理工學院巴文迪教授（Prof Bawendi）的研究群

他們以膠體化學法合成出奈米半導體材料硒化鎘

（CdSe）他們發現當硒化鎘粒徑在 21 奈米

26 奈米與 45 奈米時會分別發出藍色綠色及

接近紅色的螢光這種有趣的尺寸效應吸引了許

多學者投入以鎘為主的半導體量子點研究探討其

螢光顏色的調控螢光效能生物相容性的提升等

1998 年美國加州大學柏克萊分校的阿利維

撒斯托教授（Prof Alivisatos）等人首先把量子點

應用於生醫領域其後經過許多學者的研究含

鎘量子點的粒徑與螢光調控技術漸趨成熟相較於

傳統有機染料分子量子點有更多生醫應用的優

點螢光亮度強光穩定性佳（即螢光時效久沒

有光漂白作用）用單一波長雷射就可激發不同粒

徑的量子點發出多種波長的發射波發射波狹窄且

對稱可重複激發等

量子點之放光波長與傳統發光體比較

8-2 原理

電子具有粒子性與波動性電子的物質波特

性取決於其費米波長(Fermi wavelength)

λF = 2π kF

在一般塊材中電子的波長遠小於塊材尺

寸因此量子侷限效應不顯著如果將某一個維度

的尺寸縮到小於一個波長（如圖一所示）此時電

子只能在另外兩個維度所構成的二維空間中自由

運動這樣的系統我們稱為量子井(quantum well)

如果我們再將另一個維度的尺寸縮到小於一個波

長則電子只能在一維方向上運動我們稱為量子

線(quantum wire)當三個維度的尺寸都縮小到一個

波長以下時就成為量子點了

圖一量子井量子線及量子點與電子的物質波波

長關係示意圖

由於不同材料的費米波長並不相同因此形

成量子點所需的尺寸也不一樣一般而言半導體

內的電子費米波長比金屬長很多例如半導體材料

砷化鎵（GaAs）的費米波長約 40 奈米在鋁金屬

中卻只有 036 奈米

因為量子點之電子能階為不連續增加或減

少其原子數目會改變能隙 (bandgap)能隙的大小

與量子點大小成反比故當量子點愈小所放出的

波長會藍位移 (blue shift)下圖為 CdTe 電子點可

調控波長性示意圖

量子點之所以為半導體則可由下面圖所示

其中不同金屬組合會產生不同能隙在應用上有很

大的實用性

-3 量子點之表面修飾

一般來說都是量測於有機

8

量子點之光學性質

溶劑中存在於水溶液會使得其發光強度大大降

低這樣的現象據推測是因為量子點表面與水產生

反應會產生導電帶電子陷阱(trap)故若欲將量子

點用於生物偵測首先必須修飾其表面修飾的方

法例如「被動化(passivation)」亦即將其表面佈上

保護層如蛋白質氧化矽或聚合物層但被動化層

雖然能保存光學性質卻無法應用於生物系統故

需要其他方法能同時解決兩種問題使用與量子點

表面產生共價或離子作用力的水溶性或巨分子包

覆物(macromolecules capping agents)如下圖所示

-4 量子點於生物探測之應用

面修飾成抗原並藉由

8

8-4-1 藉由抗原抗體辨識

如下圖將量子點表

抗原抗體之專一性以及量子點之放光可調整性

則可以同時偵測不同抗體圖中可一次偵測四種

毒素 cholera toxin (CT) ricin shiga-like toxin 1

(SLT) and staphylococcal enterotoxin B (SEB)並表

現於單一平盤(plate)上

8-4-2 藉由抗生物素蛋白及生物素之結合定量

用 抗生物素蛋白(avidin)及生物素(biotin)之作

力為目前已知最強的生物分子結合力故將分析物

接上抗生物素蛋白與接上生物素之量子點作用可

藉由螢光強度來定量分析物

8-4-3 藉由螢光共振能量傳遞偵測分析物作用力

y

ansfe

螢光共振能量傳遞(Foumlrster resonance energ

tr r FRET)是一種與距離有關之螢光的傳遞當

傳遞者(donor)之放光與接受者(acceptor)知吸光有

重疊時激發傳遞者則可看到接受者放光如下

圖BHQ 當淬滅劑(quencher)當接上 BHQ 的

trinitrobenzene (TNB)與量子點有作用時此時給予

激發不會看到放光而當 trinitrotoluene (TNT)競爭

取代 TNB 之後螢光強度即隨著取代者的濃度而

上升

參考文獻

故事 新新聞出版 (1999) 李雅明

wwwcsghstpedutw~phyonline-teacht

nductor

Julian S Semiconductor

exphptitle=E9

九

1 半導體的

著

2 http

each-WuCh8ppt26711半導體元件

3 Hong Xiao Introduction to semico

manufacturing technology Prentice Hall 2001

pp 313-334

4 Michael Q

manufacturing technology Pearson Education

Taiwan 2005 pp 436-453

5 httpzhwikipediaorgwind

9B86E68890E794B5E8B7

AFampvariant=zh-hant 維基百科

6 Luminescent Core-Shell Photonic Crystals

7 re (EYablonovitch

8 Gill M Zayats and I Willner Angew

from Poly (phenylene ethynylene) Coated

Silica Spheres (鄭修偉)

Photonic band-gap structu

Vol 10NO 2February 1933J Opt Soc Am

B

R

Chem Int Ed 2008 47 7602ndash7625

8-2 原理

電子具有粒子性與波動性電子的物質波特

性取決於其費米波長(Fermi wavelength)

λF = 2π kF

在一般塊材中電子的波長遠小於塊材尺

寸因此量子侷限效應不顯著如果將某一個維度

的尺寸縮到小於一個波長（如圖一所示）此時電

子只能在另外兩個維度所構成的二維空間中自由

運動這樣的系統我們稱為量子井(quantum well)

如果我們再將另一個維度的尺寸縮到小於一個波

長則電子只能在一維方向上運動我們稱為量子

線(quantum wire)當三個維度的尺寸都縮小到一個

波長以下時就成為量子點了

圖一量子井量子線及量子點與電子的物質波波

長關係示意圖

由於不同材料的費米波長並不相同因此形

成量子點所需的尺寸也不一樣一般而言半導體

內的電子費米波長比金屬長很多例如半導體材料

砷化鎵（GaAs）的費米波長約 40 奈米在鋁金屬

中卻只有 036 奈米

因為量子點之電子能階為不連續增加或減

少其原子數目會改變能隙 (bandgap)能隙的大小

與量子點大小成反比故當量子點愈小所放出的

波長會藍位移 (blue shift)下圖為 CdTe 電子點可

調控波長性示意圖

量子點之所以為半導體則可由下面圖所示

其中不同金屬組合會產生不同能隙在應用上有很

大的實用性

-3 量子點之表面修飾

一般來說都是量測於有機

8

量子點之光學性質

溶劑中存在於水溶液會使得其發光強度大大降

低這樣的現象據推測是因為量子點表面與水產生

反應會產生導電帶電子陷阱(trap)故若欲將量子

點用於生物偵測首先必須修飾其表面修飾的方

法例如「被動化(passivation)」亦即將其表面佈上

保護層如蛋白質氧化矽或聚合物層但被動化層

雖然能保存光學性質卻無法應用於生物系統故

需要其他方法能同時解決兩種問題使用與量子點

表面產生共價或離子作用力的水溶性或巨分子包

覆物(macromolecules capping agents)如下圖所示

-4 量子點於生物探測之應用

面修飾成抗原並藉由

8

8-4-1 藉由抗原抗體辨識

如下圖將量子點表

抗原抗體之專一性以及量子點之放光可調整性

則可以同時偵測不同抗體圖中可一次偵測四種

毒素 cholera toxin (CT) ricin shiga-like toxin 1

(SLT) and staphylococcal enterotoxin B (SEB)並表

現於單一平盤(plate)上

8-4-2 藉由抗生物素蛋白及生物素之結合定量

用 抗生物素蛋白(avidin)及生物素(biotin)之作

力為目前已知最強的生物分子結合力故將分析物

接上抗生物素蛋白與接上生物素之量子點作用可

藉由螢光強度來定量分析物

8-4-3 藉由螢光共振能量傳遞偵測分析物作用力

y

ansfe

螢光共振能量傳遞(Foumlrster resonance energ

tr r FRET)是一種與距離有關之螢光的傳遞當

傳遞者(donor)之放光與接受者(acceptor)知吸光有

重疊時激發傳遞者則可看到接受者放光如下

圖BHQ 當淬滅劑(quencher)當接上 BHQ 的

trinitrobenzene (TNB)與量子點有作用時此時給予

激發不會看到放光而當 trinitrotoluene (TNT)競爭

取代 TNB 之後螢光強度即隨著取代者的濃度而

上升

參考文獻

故事 新新聞出版 (1999) 李雅明

wwwcsghstpedutw~phyonline-teacht

nductor

Julian S Semiconductor

exphptitle=E9

九

1 半導體的

著

2 http

each-WuCh8ppt26711半導體元件

3 Hong Xiao Introduction to semico

manufacturing technology Prentice Hall 2001

pp 313-334

4 Michael Q

manufacturing technology Pearson Education

Taiwan 2005 pp 436-453

5 httpzhwikipediaorgwind

9B86E68890E794B5E8B7

AFampvariant=zh-hant 維基百科

6 Luminescent Core-Shell Photonic Crystals

7 re (EYablonovitch

8 Gill M Zayats and I Willner Angew

from Poly (phenylene ethynylene) Coated

Silica Spheres (鄭修偉)

Photonic band-gap structu

Vol 10NO 2February 1933J Opt Soc Am

B

R

Chem Int Ed 2008 47 7602ndash7625

反應會產生導電帶電子陷阱(trap)故若欲將量子

點用於生物偵測首先必須修飾其表面修飾的方

法例如「被動化(passivation)」亦即將其表面佈上

保護層如蛋白質氧化矽或聚合物層但被動化層

雖然能保存光學性質卻無法應用於生物系統故

需要其他方法能同時解決兩種問題使用與量子點

表面產生共價或離子作用力的水溶性或巨分子包

覆物(macromolecules capping agents)如下圖所示

-4 量子點於生物探測之應用

面修飾成抗原並藉由

8

8-4-1 藉由抗原抗體辨識

如下圖將量子點表

抗原抗體之專一性以及量子點之放光可調整性

則可以同時偵測不同抗體圖中可一次偵測四種

毒素 cholera toxin (CT) ricin shiga-like toxin 1

(SLT) and staphylococcal enterotoxin B (SEB)並表

現於單一平盤(plate)上

8-4-2 藉由抗生物素蛋白及生物素之結合定量

用 抗生物素蛋白(avidin)及生物素(biotin)之作

力為目前已知最強的生物分子結合力故將分析物

接上抗生物素蛋白與接上生物素之量子點作用可

藉由螢光強度來定量分析物

8-4-3 藉由螢光共振能量傳遞偵測分析物作用力

y

ansfe

螢光共振能量傳遞(Foumlrster resonance energ

tr r FRET)是一種與距離有關之螢光的傳遞當

傳遞者(donor)之放光與接受者(acceptor)知吸光有

重疊時激發傳遞者則可看到接受者放光如下

圖BHQ 當淬滅劑(quencher)當接上 BHQ 的

trinitrobenzene (TNB)與量子點有作用時此時給予

激發不會看到放光而當 trinitrotoluene (TNT)競爭

取代 TNB 之後螢光強度即隨著取代者的濃度而

上升

參考文獻

故事 新新聞出版 (1999) 李雅明

wwwcsghstpedutw~phyonline-teacht

nductor

Julian S Semiconductor

exphptitle=E9

九

1 半導體的

著

2 http

each-WuCh8ppt26711半導體元件

3 Hong Xiao Introduction to semico

manufacturing technology Prentice Hall 2001

pp 313-334

4 Michael Q

manufacturing technology Pearson Education

Taiwan 2005 pp 436-453

5 httpzhwikipediaorgwind

9B86E68890E794B5E8B7

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6 Luminescent Core-Shell Photonic Crystals

7 re (EYablonovitch

8 Gill M Zayats and I Willner Angew

from Poly (phenylene ethynylene) Coated

Silica Spheres (鄭修偉)

Photonic band-gap structu

Vol 10NO 2February 1933J Opt Soc Am

B

R

Chem Int Ed 2008 47 7602ndash7625

trinitrobenzene (TNB)與量子點有作用時此時給予

激發不會看到放光而當 trinitrotoluene (TNT)競爭

取代 TNB 之後螢光強度即隨著取代者的濃度而

上升

參考文獻

故事 新新聞出版 (1999) 李雅明

wwwcsghstpedutw~phyonline-teacht

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Julian S Semiconductor

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九

1 半導體的

著

2 http

each-WuCh8ppt26711半導體元件

3 Hong Xiao Introduction to semico

manufacturing technology Prentice Hall 2001

pp 313-334

4 Michael Q

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Taiwan 2005 pp 436-453

5 httpzhwikipediaorgwind

9B86E68890E794B5E8B7

AFampvariant=zh-hant 維基百科

6 Luminescent Core-Shell Photonic Crystals

7 re (EYablonovitch

8 Gill M Zayats and I Willner Angew

from Poly (phenylene ethynylene) Coated

Silica Spheres (鄭修偉)

Photonic band-gap structu

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B

R

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