铜导线材

在半导体技术发展初期的50年代，主要是以锗元素为材料，不过锗元素的耐高温性不足、抗辐射能力差，以致在60年代后逐渐由硅元素取代其地位，硅在抗热、抗辐射等表现上都优于锗，适合用来制做大功率的集成电路。

到了近年来，随着制程技术的不断细密化，到了0.25um以下，集成电路在线路上的电阻电容延迟（RC-Delay）效应已增大到成为问题，使线路信号难以更快速传递，亦即晶体管导通、关闭的速率难以更快，并且线路间的串音噪声干扰（Cross Talk Noise）也增加，这些问题约在频率近1GHz时就会产生。

为了克服此一阻障，必须更换半导体信号线路的材料，从过往的铝（Aluminum；Al）材换替成铜（Cooper；Cu）材，换材之后线路的电阻值降低，铝的阻值为每公分2.8微奥姆（2.8uOhm/cm），铜则是1.7uOhm/cm，如此寄生RC问题获得延缓，使芯片的时钟速率可进一步推升。同时，铜线路也有较佳的抗「电子迁移」能力，使芯片可以更久耐地运作。

在换材外，制造过程（制程）方面也必须搭配改变，过去铝线是使用溅镀方式制作，换成铜导线（Copper Wiring）后则使用电镀方式制作，如此在程序成本上也更为精省。此外，由于铜的反应较为活泼，因此容易渗到硅基材中，也容易污染无尘室，这也使得制造过程中需要更多的谨慎控制。

《图一 》

＜注：图注：1998年IBM公司使用自有的CMOS 7S制程技术来产制芯片，图中的芯片具有六层电路，并使用上铜导线技术，其中晶体管的信道长度仅0.12um。（数据源：cc.ee.ntu.edu.tw）＞

硅绝缘材

芯片电路不断缩密后，除了有前述的延迟问题外，另一个问题是漏电问题，漏电问题愈来愈严重的结果，是使芯片的功耗攀升，若举实例而言，过去Intel的Pentium 4处理器，其总体功耗的1／4皆为漏电，只有3／4的用电是真正投入运算工作。

很明显的，过去的硅基板绝缘层（Silicon on Silicon；SOS）已难以抑制漏电，需要换用新的绝缘材来强化，如此业界提出了硅覆绝缘（Silicon on Insulator；SOI）技术或是上覆硅技术，以二氧化硅（SiO2）为绝缘材，减缓漏电率的成长。

善用SOI技术的结果，可以降低芯片50％左右的功耗，今日不仅外用的行动电子产品讲究省电，就连机房端的重度运算也讲究省电，电力成为数据中心（Data Center）营运中，仅次于薪资的第二大开销，因此在芯片日益强调省电特性下，SOI技术的重要性也持续增高。

《图二 》

＜注：图注：IBM为日本任天堂（Nintendo）的新世代电视游乐器：Wii所设计、产制的中央处理器：Broadway（百老汇）即有使用上SOI制程技术。图为IBM的无尘室工作者正在检视Broadway芯片。（数据源：IBM）＞

比较特别的是，业界也有人对SOI技术抱持不同看法，虽然硅绝缘抑制了漏电，但连带也阻碍了热消散，原因在于二氧化硅的热传导率低于50W/mk，而硅则是120W/mk，既然热消散不易，也就连带限制了芯片频率的提升，因为更高频率的运作会加速热的产生。再者，绝缘的氧化物具有离子化倾向，受辐射所影响则容易诱发出额外的电流，使芯片内噪声增加。

因此，也有人提出以钻石为绝缘层的作法，称为SOD（Semiconductor on Diamond），钻石的本质为碳（Carbon；C），绝缘性佳（每公分阻值为10的16次方奥姆）、热传导率高（大于1200W/mk），可有效绝缘又可有效散热。虽然如此，但SOI仍是一项具变革性的新材料作法，目前SOI主要是用氧植入（Separation by IMplantation of OXygen；SIMOX）法或氢植入法，其中氢植入法以法国Soitec的Smart Cut技术为主。

低介电质材

前面已述，铜导线技术在于降低RC-Delay效应，而铜线主要是降低R值，但对线路与线路间的C值却没有改善，为了改善线路间的绝缘效果，人们开始思索用新的绝缘材料来替代原有的SiO2绝缘材料，此方面的替代方案称为低介电质（Low-k dielectric）技术。

所谓低介电质，其k值（介电系数）愈低则绝缘性愈高，SiO2的k值约在3.9～4.5间，而换替的可行材料包括氟硅玻璃（Fluorinated Silicate Glass；FSG）、黑钻石（Black Diamond）、BLOK（Barrier Low k）等。

以FSG而言，事实上还有不同的制成方法，以化学气相沈积法（Chemical Vapour Deposition；CVD）产生的FSG材质，可使k值达2.6～3.1；而使用旋转式涂布法（Spin-on Dielectric；SOD）的FSG材质，则更可低至2.0。无庸置疑地，最佳的低介电质是真空，其k值为1，干燥的空气则接近1，但因为不是固态物而无法使用。

高介电质、应变硅

除上述外，为了让芯片有更快的效能，因而提出了高介电质（High-k）与应变硅（strained silicon）等技术，高介电质材料主要是替换原有位在闸极金属电极与硅基板间的SiO2绝缘材，如此可使晶体管的导通、关闭更加快速，推估可比传统SiO2作法快上60％，此外闸极的漏电也能降低（将绝缘层加厚），降低漏电就能减少功耗与发热。不过目前高介电质技术仍有些方面不易突破。

至于应变硅方面，应变硅技术并非更替材料，晶圆基板材料依旧是硅，但却改变硅原子结构的间距，使电子移动的速度增快，进而提升芯片的运作效率。

《图三 》

＜注：图注：Intel在其开发者论坛上提及用High-k材料取代现有的SiO2，做为晶体管闸极的绝缘层，使用High-k材料不仅可让晶体管运作更快速，也有助于减少漏电。（图片来源：www.intel.com）＞

太阳能板

由于石油将在数十年后用尽，使人们增加对太阳能发电、太阳电池（Solar Cell，或被称为Photovoltaic Cell、PV Cell）等技术的关注度，其中太阳能发电中的太阳能板也是用半导体材料所制作。

目前太阳电池最广泛使用的为硅材料，并可分成晶硅（Crystallin）与非晶硅（Amorphous；a-Si），其中晶硅还可再分成单晶硅（Single Crystalin）与多晶硅（Poly Crystalin），如此即有三种类型的材料：单晶硅、多晶硅、非晶硅，三种材料的光电转换效率也各有差异，分别为12％～24％、10％～19％、1％～13％，而真正较常运用的是单晶与非晶，前者的转换效率高而受青睐，后者则是成本低、制造容易而受用。

《图四 德国西门子公司（Siemens）用单晶硅材料制成的太阳能基板》

要注意的是，非晶硅除纯硅之外，也有化合性质的作法，如碳化硅SiC、锗化硅SiGe、氢化硅SiH、氧化硅SiO等等。

除了硅为主体的太阳能基板，也有非硅的化合物作法，一样区分成单晶类与多晶类，单晶类的材料为砷化镓GaAs、磷化铟InP；多晶类则有硫化镉CdS、碲化镉CdTe、铜锗化铟CuInSe、二锗铜化铟／镓Cu（In，Ga）Se2等等。非晶硅材料或化合物材料多用在薄膜技术制成太阳能板中。

附带一提的，还有一种初展露、尚在研发的有机（Oganic）太阳能电池、奈米（Nano）太阳能电池，使用的材料为二氧化钛TiO2，然而因为光电转换率仅1％～4％，离实用化仍有一段距离。

无线射频

无线射频（Radio Frequency；RF）电路、集成电路、微波功率电路等所用的材料，必须从形成的基础构造来讨论，这包括晶体管（Transistor）、异质接面双极晶体管（Heterojunction Bipolar Transistor；HBT）、金属半导体场效晶体管（Metal-Semiconductor Field Effect Transistor；MESFET）、以及高电子迁移率晶体管（High Electron Mobility Transistor；HEMT，另称为异质结构场效晶体管，Heterostructure FET；HFET）。

在具体材料上，晶体管用的是硅，HBT的基板部分使用SiGe、GaAs，其上的生成层则用AlGaAs、InP、InGaP，此外宽能隙（Wide-bandgap）的材料也备受瞩目，如GaN、InGaN；MESFET则是GaAs、InP、SiC（从未使用纯硅）；HEMT则是以「GaAs与AlGaAs」或「AlGaN与GaN」所构成。

除了材料外，基础结构也有所不同，以Si为主材料若用于射频电路中，多半实行BiCMOS的基础结构，即是结合BJT与CMOS的结构特点而成，此称为Si BiCMOS制程技术，射频电路实行SiGe、Si BiCMOS等作法，在高频运作时有较佳的表现。

另外，与HEMT相关的还有pHEMT（pseudomorphic HEMT）、mHEMT（metamorphic HEMT）等，使用的基板主材是GaAs，缓冲层则是AlInAs，信道材料则是GaInAs。

发光二极管

过去一般人认为发光二极管（Light Emitting Diode；LED）仅做为状态灯号之用，但其实这只是可见光的部分，不可见光的红外线LED、紫外线LED也各有用途，红外线LED用于遥控器、保全装置，紫外线则用于钞票鉴识器、树脂硬化、光催化等，最新的超短波长的远紫外线LED则可望用在污染物分解、新型光储存媒体读写、奈米科技等。

《图五 运用红光LED的照射使植物（农作物）增长，此种作法未来有可能运用在太空中生产食物。》

更进一步的，由于蓝光技术成熟后，白光也成为可行，加上亮度表现的不断提升，使LED的应用范畴逐渐提升，包括液晶显示器的背光、电子照明等开始陆续实行LED。以下列出常见的LED发光材料：

值得注意的是，近年来为了因应LED持续提升亮度的需求，在（蓝光LED）基板材料上也进行了多番变革，包括碳化硅SiC、蓝宝石（Sapphire，三氧化二铝，Al2O3）等，此外纯硅的材料也相当受到关切，尤其基板不仅要与发光体搭配，还必须达到最高的透光率，以免阻碍发光体的亮度发挥。

《图六 今日蓝光LED所用的基板材料主要为碳化硅（SiC）或蓝宝石（Sapphire，Al2O3），图为蓝宝石。》

当然，以上主要为无机类的LED，与LED相关的雷射二极管（Laser Diode；LD）、以及有机类的OLED、以及发光所用的荧光质、为增加亮度所嵌入的银质等，则不在以上讨论之列。

结论

当然，以上主要为无机类的LED，与LED相关的雷射二极管（Laser Diode；LD）、以及有机类的OLED、以及发光所用的荧光质、为增加亮度所嵌入的银质等，则不在以上讨论之列。