2025 年 9 月出版
科儀新知 第 244 期
人物專訪
國立成功大學電機工程學系－王永和特聘教授：挫折是變強的磚石 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]
林麗娥
摩爾定律 (Moore’s Law) 預測矽基半導體的積體電路上可容納的電晶體數量，每隔約兩年會增加一倍，但隨著技術達到物理極限，其放緩成為趨勢。化合物半導體因其耐高壓、高頻、高溫特性，展現出矽基技術無法取代的優勢，並在「超越摩爾定律」(More than Moore) 的新時代中成為關鍵推手，透過異質整合等技術提升晶片效能與功能。為此《科儀新知》244 期特別推出「化合物半導體驅動材料新革命」專題。外界對國立成功大學電機工程學系王永和特聘教授的印象，除了最廣為人知的國家實驗研究院前院長身分外，他同時也是臺灣化合物半導體研究的先驅。本期我們邀請王教授擔任「人物專訪」的受訪嘉賓，一同瞭解王永和教授如何走過求學的挑戰與研究的磨練，以及深厚累積的學術底蘊；肩負國研院院長重任時，他更在行政管理上展現不凡的遠見與魄力。在這場專訪中，他將帶領讀者一同回顧這段精彩旅程，分享其中的甘苦與心得，並透過真切的體會，啟發我們對科研與領導的另一種想像。
化合物半導體驅動材料新革命
「化合物半導體驅動材料新革命」專題介紹 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]
洪瑞華
化合物半導體在近十年來被視為推動新世代電子與光電產業的重要關鍵材料。相較於傳統矽基半導體，化合物半導體具備高頻率、高功率、高效率與耐高溫的優勢，已廣泛應用於高速通訊、車用電子、再生能源、5G/6G、人工智慧以及先進感測器等領域。隨著全球能源轉型與永續發展需求加劇，如何突破材料侷限、實現高效能與低能耗的元件與系統，成為當代學術研究與產業應用的焦點。承蒙《科儀新知》邀請，本人擔任「化合物半導體驅動材料新革命」專題之客座主編。此次專題特別集結該領域的學者專家，分享其在化合物半導體領域的重要成果與研究心得，期望藉此促進學術與應用的交流與整合，並為臺灣在全球半導體研發版圖上注入更多前瞻能量。
本期人物專訪，我們榮幸邀請到臺灣化合物半導體研究先驅──國立成功大學電機工程學系王永和特聘教授。專訪內容將帶領讀者回顧王教授的求學歷程與研究挑戰，展現其深厚的學術底蘊；同時分享他在出任國研院院長時，如何以遠見與魄力推動行政與科研。
專題內容首先由國立陽明交通大學電子研究所－洪瑞華講座教授團隊為讀者介紹「P 型氧化鎵磊晶膜及功率二極體應用之研究」，採用磷離子佈植技術成功實現 P 型氧化鎵之研製，為未來高效能氧化鎵功率元件開發奠定基礎。國立成功大學智慧半導體及永續製造學院－許渭州院長團隊「利用非真空噴霧式化學氣相沉積法製作具有 δ-摻雜通道之 β-氧化鎵金屬－氧化物－半導體場效應電晶體」，以非真空製程的噴霧式化學氣相沉積 (Mist-CVD) 技術，於 c 面藍寶石基板上異質磊晶生長單晶 β-氧化鎵，並首次導入錫 δ 摻雜技術，成功製作出金氧半場效電晶體。國立成功大學及元智大學－李清庭名譽講座教授，對於「氮化鎵基金氧半高電子遷移率電晶體及積體電路的製作及特性研究」以創新的低溫氣相冷凝系統及光電化學氧化／蝕刻系統製作高性能的空乏型及增強型氮化鎵基金氧半高速電子遷移率場效電晶體，並整合此兩種型態的電晶體完成互補式金氧半場效電晶體積體電路。其後國立中興大學精密工程研究所－劉柏良教授團隊透過「探索材料的微觀世界：用第一原理計算打造更靈敏的氣體感測『電子鼻子』」以第一原理計算研究 ZnO 與 ZnGa2O4 在吸附 NOx 分子後的表面電子特性，並發現銀修飾能顯著提升 ZnO 電子轉移能力，為高靈敏度氣體感測器設計提供理論依據。國立暨南大學武東星校長針對「氧化鎵基半導體材料於非酶性生醫感測器之應用探索」，利用多種製程技術製備高品質氧化鎵及其衍生複合薄膜，並系統性探討其於非酵素型生醫感測器的應用潛力。國立清華大學材料科學工程學系－朱英豪講座教授團隊：「新穎準二維半導體製備與特性調控」一文，主要介紹探討準二維半導體－BOSe 於材料成長、元件整合與特性調控的可行性與發展，該團隊利用脈衝雷射沉積法成功開發出 BOSe 薄膜，可迅速調控準二維材料的組成與結構。
展望未來，臺灣不僅肩負「護國產業」矽基半導體的領導地位，更應在化合物半導體的浪潮中展現前瞻眼光與研發實力。期盼透過本期作者群深入淺出的介紹，能激發讀者與產業夥伴對半導體材料的關注與創新思維，共同推動材料創新研究與跨域應用。
P 型氧化鎵磊晶膜及功率二極體應用之研究 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]
蔡欣穎, 李承翰, 洪瑞華
本研究針對 P 型氧化鎵難以製備的問題，採用磷離子佈植技術成功實現 P 型氧化鎵之研製，並應用於同質 PN 二極體製作。實驗結果顯示，經高溫退火活化後的磷摻雜氧化鎵具有正值霍爾電壓，證實其為 P 型半導體，且電阻率可降至 1.01 Ω·cm，較未摻雜者下降約 9 個數量級。利用磷摻雜之 P 型氧化鎵與矽摻雜 N 型氧化鎵製作同質 PN 氧化鎵二極體，為避免 P-side up 結構中因為高溫活化磷之製程產生矽擴散，進而造成的高漏電問題，本研究改採 N-side up 結構並使用 Re-growth 技術，有效抑制矽擴散，顯著改善整流特性，並將崩潰電壓提升至 979 V。此外，本研究亦製作氧化鎳／氧化鎵異質 PN 二極體，與同質二極體進行比較，發現同質二極體在可靠度與穩定性上表現更佳。本研究成果不僅證實 P 型磷摻雜氧化鎵的可行性，也為未來高效能氧化鎵功率元件開發奠定基礎。
利用非真空噴霧式化學氣相沉積法製作具有 δ-摻雜通道之 β-氧化鎵金屬－氧化物－半導體場效應電晶體 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]
洪皓君, 劉漢胤, 許渭州
本研究利用非真空製程的噴霧式化學氣相沉積 (mist chemical vapor deposition, Mist-CVD) 技術，於 c 面藍寶石基板上異質磊晶生長單晶 β-氧化鎵 (β-Ga2O3)，並首次導入錫 (Sn) δ 摻雜技術製作金氧半場效電晶體 (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, MOSFET)。所製備之 Sn δ 摻雜 β-Ga2O3 MOSFET 展現優異性能，包括最大汲極電流 2.38 mA/mm、閾值電壓 –8.1 V、次臨界擺幅 394.5 mV/dec、特徵導通電阻 1.49 Ω·cm2、關態崩潰電壓 1270 V，並具備功率性能指標 (power figure of merit, PFOM) 1.08 MW/cm2。透過 X 光繞射 (X-ray diffractometer, XRD)、二次離子質譜儀 (secondary ion mass spectrometer, SIMS)、電壓－電容分析 (capacitance-voltage, C-V) 與電性分析證實，本研究不僅實現了高品質 Sn δ 摻雜層之異質磊晶結構，亦展示噴霧式 CVD 於高功率 β-Ga2O3 元件開發之潛力。
氮化鎵基金氧半高電子遷移率電晶體及積體電路的製作及特性研究 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]
李清庭
利用創新的低溫氣相冷凝系統及光電化學氧化／蝕刻系統製作高性能的空乏型及增強型氮化鎵基金氧半高速電子遷移率場效電晶體，並整合此兩種型態的電晶體完成互補式金氧半場效電晶體積體電路，並將其應於共源極反相器電路。實現以氧化鎵基系列的材料完成高功率及高頻金氧半高速電子遷移率場效電晶體開發，並將其應用於數位邏輯電路中。
探索材料的微觀世界：用第一原理計算打造更靈敏的氣體感測「電子鼻子」 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]
郭益均, 陳冠宇, 林彥丞, 張生沅, 傅景督, 游鎮隆, 劉柏良
空氣品質備受重視之際，發展高靈敏度感測材料成為關鍵技術。為探討金屬氧化物是否能有效偵測氮氧化物 (NOx)，本研究以第一原理計算分析 ZnO 及 ZnGa2O4 表面吸附 NOx 分子後對功函數的影響，研究結果顯示銀修飾可增強 ZnO 電子轉移能力，使其吸附 NO2 時的功函數變化量相較潔淨 ZnO 提高 1.7 倍。NO 及 NO2 吸附於 Ga-Zn-O 混合原子結尾的 ZnGa2O4 產生功函數變化量分別為 +4.97 eV 及 +1.82 eV，此結果展現出極高靈敏度可為高性能感測器設計提供理論依據。
氧化鎵基半導體材料於非酶性生醫感測器之應用探索 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]
周鑫佑, 江維翔, 張耀錡, 吳耕宏, 江榮隆, 武東星
本研究以多種製程技術於各類基板沉積氧化鎵基薄膜，並整合延伸閘極場效電晶體 (extended-gate field-effect transistor, EGFET) 架構，開發多功能非酵素型生理感測器。利用薄膜對化合物的選擇性吸附與高穩定性，實現對 pH、葡萄糖、氨氮與細胞活性之高靈敏檢測。感測器不需酵素修飾，具低成本與長期保存優勢。生物相容性評估顯示無細胞毒性，適用於長期生醫監控。結果顯示氧化鎵基半導體為具潛力之多功能生醫與環境感測材料。
新穎準二維半導體製備與特性調控 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]
陳怡誠, 王詠鈞, 朱英豪
隨著現代微電子技術的快速發展，矽因其適中的能隙、穩定的物理與化學性質，以及與高品質原生氧化層的界面特性，長期以來一直是半導體元件的核心材料，然而，當製程節點縮小至 10 奈米以下，矽材料逐漸面臨諸如載子遷移率下降、短通道效應與界面缺陷等挑戰，促使研究人員積極尋求具備高性能與新穎物理特性的替代材料，其中，準二維半導體 Bi2O2Se 因其高電子遷移率、環境穩定性及可自發生成高介電常數原生氧化層 Bi2SeO5，在次世代元件中展現極大潛力，Bi2O2Se 可透過多種製程方法合成，如化學氣相沉積 (chemical vapor deposition, CVD)、分子束磊晶 (molecular beam epitaxy, MBE) 與脈衝雷射沉積 (pulsed laser deposition, PLD)，並能實現異質整合與極限尺寸電晶體架構 (如鰭式場效電晶體 (fin field-effect transistor, FinFET) 與環繞閘極場效電晶體 (gate all around field effect transistor, GAAFET))，此外，其材料本身亦具備鐵電性、熱電性與量子效應等多樣物理特性，使其在邏輯、記憶、感測與能源元件中具備應用潛力，本文探討 Bi2O2Se 於材料成長、元件整合與特性調控的可行性與發展。
科儀專欄
邁向及超越十萬瓦級的高亮度連續波雷射系統與技術 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]
吳小華
本文介紹可望達成及超越十萬瓦級的高亮度連續波雷射系統與技術。包括頻譜合束光纖雷射、同調合束光纖雷射、分散式增益固態雷射、及二極體雷射泵浦鹼金屬蒸氣雷射。十萬瓦級以上的雷射系統可應用於火箭、火炮、無人機、或甚至飛彈等侵入威脅時的防禦與反制。亦可作為車輛、船艦、飛行器之結構板材的鑽孔、切割、與焊接等加工用途。期盼透過本文高功率與高亮度連續波雷射系統與技術研發的工作能引起政府與各界人士更多關注與支持並在不久的未來可以看到國人自製十萬瓦級雷射出現在臺灣。也期許本文在誘發更多相關文章的報導中扮演拋磚引玉的作用。
