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<div class="jsx-3968805167 relative overflow-hidden"><img decoding="async" class="jsx-3968805167" src="https://www.charmingscitech.nat.gov.tw/backend/wp-content/uploads/2023/02/3-1_670x377.jpg" /></p>
<div class="jsx-3968805167 absolute w-full left-0 bottom-0 p-4 text-white text-[13px]" style="background: rgba(0, 0, 0, 0.66); display: block; line-height: normal;">左至右為平面場效電晶體、鰭式場效電晶體、奈米線場效電晶體、奈米片場效電晶體。</div>
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<p>「電晶體才是我的終生伴侶。」眼前，頭髮灰白的和善學者摸著電晶體模型，開玩笑地說道，眼中散發熱情光輝。為了了解電晶體的技術發展與未來展望，我們一行人來到臺灣大學電機系二館，採訪電子工程學研究所的劉致為特聘教授。</p>
<p>&nbsp;</p>
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<div class="jsx-3968805167 relative overflow-hidden"><img decoding="async" class="jsx-3968805167" src="https://www.charmingscitech.nat.gov.tw/backend/wp-content/uploads/2023/02/3-2_670x460.jpg" /></p>
<div class="jsx-3968805167 absolute w-full left-0 bottom-0 p-4 text-white text-[13px]" style="background: rgba(0, 0, 0, 0.66); display: block; line-height: normal;">劉致為教授珍惜地看著電晶體模型，對電晶體的愛溢於言表。</div>
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<p>半導體產業是臺灣最重要的產業之一，在美中貿易戰的局勢下，於半導體製造執牛耳的台積電，益發受到世界矚目，更被譽為臺灣的護國神山。舉凡各類電子產品，從手機、電腦、汽車，甚至軍武，裡面所使用的晶片，都少不了台積電的貢獻。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>然而，臺灣在半導體產業的優勢，有辦法持續下去嗎？近來，電晶體發展即將面臨物理極限的說法不絕於耳，很多人也懷疑，製程的進步是否還能夠維持現在的飛快速度。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>為了解答上述疑惑，我們必須先了解什麼是「電晶體」。</p>
<p>&nbsp;</p>
<h2><strong><span style="font-size: 20px;">電晶體的發明</span></strong></h2>
<p>單一個的電晶體（獨立式電晶體）也稱為三極體，是具有三個接頭的電子元件。當我們改變輸入的電流（或電壓）訊號，就會從輸出端獲得其對應的輸出電壓（或電流）訊號之變動量，進而讓輸出端和輸入端呈現不同的電阻值，彷彿經歷了電阻的轉換，所以稱為轉換電阻體（transfer resistor），合併、縮寫後就成為其英文名字 transistor。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>電晶體乃是 1947 年由美國貝爾實驗室發明，其主要用途在能將電流訊號放大，或是作為控制電路的開關。在電晶體之前，電流放大器是從真空管製作，將工作電極封裝在抽真空的玻璃容器內，體積龐大且耗能，結構也很脆弱。電晶體則完全由固體材料製成，屬於固態元件，沒有易碎問題，體積更大幅縮小，不只避免了真空管的缺點，也帶來巨大的經濟利益。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>那麼，台積電全名「台灣積體電路製造」，當中的積體電路是什麼意思呢？</p>
<p>&nbsp;</p>
<h2><strong><span style="font-size: 20px;">積體電路的誕生</span></strong></h2>
<p>早期的電晶體運用，必須把不同<span data-component="tippy" data-content="如電晶體、二極體、電阻等">電子元件</span>，用人為方式一個個連接起來，形成電路。整個過程不但非常繁複，也難以大幅增加元件的數量。於是，到了 1950 年代末期，革命性的技術誕生了——積體電路（integrated circuit, IC）。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>積體電路把所有電子元件都做在同一塊半導體晶片上。簡單來說，這些元件不靠手工連接，而是先將半導體局部氧化，製造絕緣層，再將金屬或其他材料覆蓋在半導體表面；將不需要的地方去除之後，因為絕緣層能夠把晶片上的不同區域隔開，留存著的金屬或其他材料表面就可形成電路。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>所以，我們在新聞裡常聽見的，積體電路製程的技術節點已達幾<span data-component="tippy" data-content="1 奈米為 10 的 -9 次方公尺">奈米</span>，又代表什麼呢？</p>
<p>&nbsp;</p>
<h2><strong><span style="font-size: 20px;">積體電路製程名稱的意義</span></strong></h2>
<p>「3 奈米之後是 2 奈米，2 奈米之後是 1 奈米，1 奈米之後就沒有啦？有人會這樣想，認為半導體（產業）要結束了。」劉致為教授笑著跟我們說，常有人對製程名稱產生這樣的誤會。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>電晶體具有不同的種類，而現在受到廣泛使用的場效電晶體（field-effect transistor, FET），利用所謂的場效應，也就是輸入電壓產生電場，來改變半導體的電導率，以控制電流輸出。場效電晶體包含了閘極（gate）、汲極（drain）和源極（source）三個端點；當對閘極施加電壓時，電子才會由源極通向汲極。可以說，閘極的控制決定了電流是否通過，而其分別對應到數位訊號的 0 和 1。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>要評估半導體晶片的製作技術，傳統常用電晶體的閘極線寬作為指標，因為閘極線寬越小，代表電晶體越小，同樣尺寸的晶片就能塞進越多的電晶體，意味著功能越多、效能更好。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>「7 奈米跟 5 奈米有什麼不一樣？5 奈米（製程）的電晶體密度是 7 奈米的兩倍。」新一代的製程名稱，概念上會是前一代製程尺寸再乘上 0.7，代表電晶體所占面積變為原來的一半；所以同樣大小的晶片上，電晶體的密度會變為二倍。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>只不過，隨著時代演進，光用閘極線寬並無法真正評估晶片的效能，而且各家公司的製程名稱也不是閘極線寬；所以，目前新聞中常出現的製程尺寸，例如 3 奈米或 5 奈米等，更像是代表技術的進步節點和電晶體的密度指標，而並不是真實的閘極線寬。</p>
<p>&nbsp;</p>
<h2><strong><span style="font-size: 20px;">摩爾定律</span></strong></h2>
<p>因著技術進步，單一晶片上能放入的元件數量越來越多。在 1960 年，這個數目還不到 10 個，但後來每年大幅增長，到了 2022 年，一般消費者可買到的微處理器上，已有超過 1000 億個電晶體。英特爾創辦人之一的摩爾（Gordon Moore）在 1964 年便已大膽預測，同樣面積的積體電路晶片上，可容納的電晶體數目，大約每一代會增為之前的 2 倍——稱為摩爾定律（Moore&#8217;s law）。至今，半導體產業的發展仍大略依循著摩爾定律的預測。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>無論如何，隨著晶片上元件尺寸的縮小，以及電晶體密度的提高，所需製造技術和設備都勢必要更先進；而且，因為晶片上可以容納的元件變多了，在電路設計上也會變得更複雜。每次進步，背後都牽涉到大量的金錢花費跟研發心力。</p>
<p>&nbsp;</p>
<h2><strong><span style="font-size: 20px;">電晶體發展現況與瓶頸</span></strong></h2>
<p>傳統的場效電晶體屬於金屬–氧化物–半導體場效電晶體，簡稱金氧半場效電晶體（metal–oxide–semiconductor field effect transistor, MOSFET）。正如其名，其閘極結構由上而下可分為金屬、氧化層和半導體層。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>金氧半技術的好處是，可以做出高密度、低耗能且成本低廉的積體電路。金氧半場效電晶體依其通道極性的不同，又分成 N 型金氧半場效電晶體（NMOSFET）與 P 型金氧半場效電晶體（PMOSFET）。到了 1980 年代中期之後，為了減低耗電量，往往將兩者合併使用，稱為互補式金氧半（complementary metal–oxide–semiconductor, CMOS）場效電晶體。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>只不過，隨著製程節點小到約 16 奈米／22 奈米（依不同公司而定），傳統的平面金氧半場效電晶體不再滿足需求。為了處理這個問題，直接的方式就是把原本的平面結構轉為立體結構：汲極和源極多出立體鰭狀結構，讓電晶體所占面積變小，而且通道三面均被閘極包圍，閘極的控制力因此加強，可減少漏電流——這就是鰭式場效電晶體（Fin Field Effect Transistor, FinFET）。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>說到這，劉致為教授順手拿了張白紙，「導電的通道（channel）原來是這麼個平面嘛」，接著就把白紙折出鰭狀，「這樣子弄過來，上面跟兩側都有通道啊！」生動地向我們解釋。</p>
<p>&nbsp;</p>
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<div class="jsx-3968805167 relative overflow-hidden"><img decoding="async" class="jsx-3968805167" src="https://www.charmingscitech.nat.gov.tw/backend/wp-content/uploads/2023/02/3-3_670x460.jpg" /></p>
<div class="jsx-3968805167 absolute w-full left-0 bottom-0 p-4 text-white text-[13px]" style="background: rgba(0, 0, 0, 0.66); display: block; line-height: normal;">在講到鰭式場效電晶體時，劉致為教授順手拿了張白紙折出鰭狀，向眾人解說。</div>
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<p>然而，隨著 3 奈米製程電晶體的量產，鰭式場效電晶體也開始不敷使用，新的技術——環繞式閘極（gate-all-around, GAA）進場了。顧名思義，環繞式閘極就是利用閘極將電子的通道完全包覆，最大化閘極的電流控制能力，同時，也將汲極╱源極與閘極接觸的通道部分改為多線或多片的形式，以增加效能——稱為奈米線╱奈米片場效電晶體（nanowire/nanosheet field-effect transistor）。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>「你導電的時候，上面三面導電，那下面就浪費了呀！」劉致為教授邊說，邊把白紙折成的鰭狀結構改成方形：「那我就把它包起來，叫做 gate-all-around。所以 FinFET 是 3 個面導電，gate-all-around 是全部 4 個面都導電。」</p>
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<p>縱上所述，電晶體的設計從原本的平面結構轉為立體結構，又從鰭狀結構轉為多線╱多片結構。這都是為了讓電晶體尺寸在縮小的同時，又能夠維持效能，並在固定面積上，增加通道數目，使電流變大。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>就市場現況而言，台積電因為鰭式場效電晶體的品質極佳，所以依然使用於 3 奈米製程；奈米片場效電晶體則預計運用在 2025 年量產的 2 奈米製程。另一方面，英特爾在 2023 下半年預計量產的晶片上，會運用環繞式閘極技術；三星則是已採用環繞式閘極技術量產晶片。</p>
<p>&nbsp;</p>
<h2><strong><span style="font-size: 20px;">下世代電晶體技術如何突破瓶頸</span></strong></h2>
<p>儘管將電晶體結構從平面轉向 3D，解決了燃眉之急，但將電晶體密度提高的研發之路，依然充滿隱憂；目前的環繞式閘極技術，恐怕也面臨瓶頸。為此，這幾年開始有新的架構提議出現，稱為互補式場效電晶體（Complementary Field Effect Transistor, CFET）。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>以往的電晶體結構改良，是從前述的互補式金氧半場效電晶體出發，將平面結構改為立體結構，以減少占地面積，並降低量子效應導致的漏電問題。互補式場效電晶體則另闢蹊徑，直接將互補式金氧半場效電晶體的 N 型通道電晶體和 P 型通道電晶體折疊在一起，這樣子面積約略可縮減一半。不僅如此，我們還可以考慮將更多電晶體堆疊在一起，最大化地達成不影響效能但又增加電晶體密度的目標。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>然而，未來電晶體技術會如何發展，互補式場效電晶體或這類堆疊式的架構，是否真能成為主流，仍有待我們觀察。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>對此，劉致為教授倒是說得很直接：「看看會不會比<span data-component="tippy" data-content="以環繞式閘極技術製作的電晶體，會將汲極源極與閘極接觸的通道部分改為多片的形式，稱為奈米片">奈米片（nanosheet）</span>好很多啦！如 nanosheet 只用一代的話，經濟上是沒有利益的，所以一定要用好幾代。」互補式場效電晶體確實具有發展潛力，但因為經濟上的考量，奈米片電晶體的使用時間會盡量延伸。</p>
<p>&nbsp;</p>
<h2><strong><span style="font-size: 20px;">電晶體發展是否面臨極限？</span></strong></h2>
<p>隨著電晶體在晶片上的密度越來越高，且製程的技術節點名稱也常令人<span data-component="tippy" data-content="真實的閘極線寬並沒有那麼小">誤解</span>，所以近來有許多擔憂，認為電晶體產業的發展已經快接近物理上的極限。畢竟，目前最先進的量產製程，至少在名稱上已達 3 奈米，但作為電晶體主要材料的矽晶體，其晶格大小也不過約 0.54 奈米。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>不過，電晶體發展之路的盡頭，真的就要到來了嗎？劉致為教授倒是不怎麼擔心：「我們講的是單位面積的密度，我可以做一層、兩層、三層、四層，越做越多，密度更高；以後會往這個方向走。現在就沒有物理極限，我就越疊越高呀。」</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>當我們追問，這是否可能一直疊下去時，「這就是我們工程師要努力的方向，只要物理定律可以，我們就想辦法把它蓋出來。」教授堅定的決心顯露無疑。</p>
<p>&nbsp;</p>
<h2><strong><span style="font-size: 20px;">電晶體發展的經濟限制</span></strong></h2>
<p>電晶體研發在抵達物理極限之前，恐怕更快面臨的是經濟上的限制。現在的晶片製造產業，所需研發成本越來越高，最尖端的製程和技術，價格高昂到僅有全球少數大公司玩得起。以台積電來說，儘管 3 奈米製程的晶片效能優越，但晶圓的單片報價突破兩萬美元，比 7 奈米製程的一萬美元貴了一倍。依此趨勢，電晶體的發展是否會受到成本的影響呢？</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>「後來的事我們也不知道，但很可能經濟的確是一個問題。」對此，劉致為教授坦承，在經濟的限制下，一種可能是，電晶體產業會從原本的技術創新取向，逐漸轉變為<span data-component="tippy" data-content="雖然幾十年內不至於發生">以技術改良為主的成熟產業</span>。另一種可能是，開始會有新的材料、新的應用出現，走出嶄新的一條路。</p>
<p>&nbsp;</p>
<h2><strong><span style="font-size: 20px;">半導體的材料</span></strong></h2>
<p>在電晶體剛被發明的時候，是使用鍺製作。不過，因為鍺本身的特性使然，在許多環境下並不合用。因此，矽電晶體後來居上，占據市場主流地位。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>矽的熔點比鍺要高得多，但是在地殼中的含量相當豐富，不像鍺是稀有元素，而且矽的氧化物—二氧化矽，是極佳的絕緣體，能夠作為半導體元件的保護層。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>因為矽電晶體具有上述種種優點，且能夠在較高的溫度操作，所以直到目前為止，絕大多數的半導體應用都是使用矽作為材料。不過，矽半導體當然不是完美的，在特定狀況下，某些化合物半導體如砷化鎵（GaAs），製作發光元件更具有優勢、效率更高；又如磷化銦（InP）比矽更適合用在高功率、高頻的電路中，砷化鎵和磷化銦又被稱為三五族半導體。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>近來，俗稱化合物半導體的氮化鎵（GaN）和碳化矽（SiC）躍上舞台。它們不但能適用在高功率、高頻的電路上，又有極佳的效率和散熱特性，在電動車、低軌衛星、綠能等產業備受矚目，只是成本較高、市場也較小。</p>
<p>&nbsp;</p>
<h2><strong><span style="font-size: 20px;">臺灣在電晶體發展的未來展望</span></strong></h2>
<p>自從 19 世紀發現半導體開始，陸續誕生了半導體的相關應用，但是要到 20 世紀量子理論發展後，半導體的物理性質才得以用理論清楚解釋。直到 1947 年電晶體的發明，再到 1959 年積體電路的出現，半導體產業的蓬勃發展趨勢與龐大應用才可說是一去不回頭。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>現在到未來的十幾、二十年，正好是電晶體發展的重要轉捩點。不管產業會面臨研發上的困難還是經濟上的局限，我們身處在以半導體產業聞名國際的臺灣，都必須思考未來的走向。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>提到臺灣未來發展半導體產業的瓶頸，劉致為教授憂心地直言：「最大的瓶頸就是人才。」雖然目前臺灣的產業發展很好，但長遠來說，還是希望能有更多人進入學界，培育優秀人才，為未來打下根基。</p>
<p>&nbsp;</p>
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<div class="jsx-3968805167 relative overflow-hidden"><img decoding="async" class="jsx-3968805167" src="https://www.charmingscitech.nat.gov.tw/backend/wp-content/uploads/2023/02/3-4_670x460.jpg" /></p>
<div class="jsx-3968805167 absolute w-full left-0 bottom-0 p-4 text-white text-[13px]" style="background: rgba(0, 0, 0, 0.66); display: block; line-height: normal;">臺灣半導體人才多半身在業界，也希望有更多人才能投入學界。</div>
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<p>&nbsp;</p>
<p>面對少子化趨勢，雖然可以引入外國優秀人才，但要如何增加其對臺灣的向心力和感情，又會是另一個問題。對劉致為教授來說，既然本國學生少的話，那就要更努力讓其變得優秀：「我們做教育是百年樹人，我們對自己的要求是良率一定要百分之百，每個學生都盡量把他教好，然後每個學生都終生保固，不可能說這個學生兩年後變壞了，我就不管了。」劉致為教授對學生的期待與關心，令人動容。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>除此之外，作為培育人才的配套措施，劉致為教授也建議，國家實驗研究院的台灣半導體研究中心不妨考慮擴大規模，增添更多設備，讓學生能夠於研究上使用。在短短的訪談時間內，我們所有人都感受到了劉致為教授對半導體的愛與熱情，也期許臺灣的半導體業界與學界能夠相輔相成、互相提攜成長。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>無論如何，在這變動巨大的時代，唯有持續放入資源、培育人才，利用深厚的知識開發技術、不斷創新，才能保持臺灣既有的優勢與領先地位，這也是在臺灣的我們，必須思考與面對的事。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p><span style="font-weight: 400;">（客座總編輯｜國家實驗研究院台灣半導體研究中心 侯拓宏主任；研究顧問團隊｜臺灣大學電機工程學系 劉致為特聘教授；責任編輯｜曹盛威、劉品萱）</span></p>
