交大材科系 張翼教授

1.我們知道材料科學大致可分為高分子、陶瓷、半導體、金屬材料，而您又專長半導體材料，可否請您告訴我們它與其他材料的發展最大不同是什麼？

2.大家所熟知的半導體是4A族的Si，由3A與5A族所組成的半導體有什麼優點嗎？它在運用上與Si有什麼不同？那SiGe半導體又有什麼不同？

3.您除了半導體材料的研究，也運用這些材料元件進行電路設計，這種跨領域的背景有什麼樣的優勢？

4.為什麼IC的封裝變得越來越重要？這項技術在未來會有什麼樣的發展？

5.依您在學界及業界多年的經驗，您認為具有怎樣特質的學生比較適合從事材料方面的研究？

6.同學進入材料系後，在大一大二要學習相當廣泛的基礎課程，不過卻因為包含的領域太廣，學生往往不知該如何選擇未來的方向，能否請主任給這些同學一些建議？

1.我們知道材料科學大致可分為高分子、陶瓷、半導體、金屬材料，而您又專長半導體材料，可否請您告訴我們它與其他材料的發展最大不同是什麼？

 半導體材料主要是其能間隙在l eV左右，能運用它光跟電的性質。而半導體材料即屬於主動元件，而高分子、陶瓷、半導體、金屬材料屬於被動元件。以電子材料來說，主動元件即我們的電晶體、光電二極體之類的半導體，具有放大的功能，被動元件是電阻、電容、電感等零件。若以光纖通訊來舉例，主動元件與被動元件的區別在於：主動元件係泛指一切會發光或收光者，如發射端的雷射或接受器；其餘所有在光纖通訊系統中，不需要外加能量來源便可產生作用的元件，也就是說，純粹對光訊號作各種形式傳輸，而不牽涉光能和電能轉換的，即稱為被動元件。 

2.大家所熟知的半導體是4A族的Si，由3A與5A族所組成的半導體有什麼優點嗎？它在運用上與Si有什麼不同？那SiGe半導體又有什麼不同？

 三五族半導體的應用是可以發出可見光，是所謂的直接能隙的半導體。第一個優點是能使光能變電、電能變光，至於矽半導體就不能直接使光電互換，必須要有聲子（phonon）加入。第二個優點是他的電子遷移率（electron mobility）較高，所以它可以應用在比較高頻率或比較高速的元件上面。所以現在有很多無線通訊及光纖通訊都使用三五族的半導體，同時因為未來internet傳輸的數量及速率都相當龐大，也都需要使用到III-V族半導體。

另外矽半導體的發展對於三五族半導體發展有相當的影響。矽半導體的好處就是便宜、技術成熟、circuit可以做的很複雜。在這些條件之下，一些比較低頻（10 GHz）的市場都會被它吃掉。但是砷化鎵還是有他的優點，如省電，這是矽沒辦法取代的。還有就是他的崩潰電壓比較高，因為為了提高功率，我們逐漸增加施加之電壓，最後元件會在崩潰電壓燒掉，這也是矽無法克服的一點。還有發光跟高頻，更是其他半導體所不能取代的。像我們跟台大前瞻性無線通訊計劃共同研究60 GHz  IC，雖然不知道什麼時候會實際運用到這麼高頻，也許五年、也許十年，但現今的趨勢就是一直往高頻發展，所以總有一天會用到。例如現在很流行的Wi-Fi無線網路，它的發展仍然很大，許多沒有電話的地方如非洲，現在都能因此而互通有無，這些進展都是在五年前沒有人想像得到的。雖然現在可能只有在國防上有60GHz這麼高頻的應用，但等到使用者更多、速度更快、數量更大的時候，一般商用產品自然就會運用到這些技術。

至於矽鍺半導體則是介乎矽半導體及三五族半導體之間，頻率無法如三五族半導體那麼高，但應用頻率遠較高。自1998年IBM宣布商業化量產SiGe晶片後，市場便期許SiGe技術在網路通訊應用上的大放異彩，現階段雖然種類不多，量亦少，但SiGe技術最大的優勢在於與其他矽製程的IC有高度的整合性，使SiGe RF IC可與Baseband IC結合，進而達到降低成本、縮小體積的需求。但也因為種類及數量不多，而製程又相對麻煩，因此相對於Si半導體，較沒有人去研究及投資這方面的發展，沒辦法使這樣的東西廣泛商業化，因此發展遲緩。

3.您除了半導體材料的研究，也運用這些材料元件進行電路設計，這種跨領域的背景有什麼樣的優勢？

 電路設計常常受限於元件的特性，導致我們常常有了新的idea，卻無從下手研製。我們製作電路設計時，通常會先有一個假想功能，再去找尋能夠符合它所需要的元件。例如我們發明手機，在沒有發明手機之前，誰知道手機要有什麼功能？所以我們就先假設它需要這些功能；有這個功能以後，就要去找元件；但這元件可能不符合設計的需要，可能各種元件都跟所需的要求差一點點，那我們該怎麼辦呢？於是我們就由材料去著手，想辦法去改變他。

舉個例子來說，最初CDMA的手機做不出來，主要是因為沒有符合那樣功能的IC，也就是沒有那樣的元件去符合他的功能，這是因為IC材料的問題沒辦法搞定。等到材料能做出來之後，手機也就能做出來了。利用材料的改變，去增加線路功能，到以突破電路設計的極限。也許原本已經遇到一條死路了，但因為元件上的突破，就能有更大的空間去發展，使產品功能提高。也由於這樣的跨領域背景，就能使我在研究上，得到更多突出的成果。

4.為什麼IC的封裝變得越來越重要？這項技術在未來會有什麼樣的發展？

 IC封裝的重要在於：不論電腦的CPU再好再快，如果封裝不對的話，傳輸速度就會因此而變慢。封裝的這些組件其被動元件之電阻、電感、電容所形成之阻抗太高的話就會使傳輸速率降低，因此IC就會受限於封裝，所以封裝會是一個很大的問題。

另外，封裝的散熱也是很重要的，而這又牽涉到材料的部份。材料有時候是一種革命性的改變；像以前的CPU封裝用ceramic，是由日本京都陶瓷提供的，大家都知道我們跟Intel買了一個CPU花了多少錢，但實際上他的package是跟日本人買的。可是後來因為材料的進展，CPU的封裝就不需要ceramic，只要用普通的樹脂就可以了，這麼一來，使得京都陶瓷的營收馬上少了三分之一。所以事實上很多用到的東西都跟材料有關，只是我們沒有發覺罷了。

隨著IC越做越小，原理上會遇到quantum mechanics的問題，另外一部分是材料的問題。現在IC製程中，我們一直希望將線寬變小，但又要保持一定電場，於是在線路被變窄變小的狀況下，會不斷出現一堆問題，譬如說要注意介電質會不會因此而漏電，因為一旦漏電，這個東西將變得毫無用處，而這就是材料的問題。電子系的人不知道怎麼去找這種材料，只知道他需要這種材料；材料系的人便會從考慮材料應力、孔洞形狀、原子擴散的問題，去合成這種材料，當找出這種材料之後，就能拿去應用，進而研究製程方面整合的問題，像這些全部都是材料學。

像MIT發現，在矽上面長一層矽鍺，由於原子大小不同、卻必須排列整齊，導致應力產生，如此一來可以增加電子的遷移率，這樣就可以不必藉由線寬變小即可使IC速率增加。這樣有什麼好處呢？不必將矽製程線寬推至極限，可略去製程的改變。而怎麼讓這層矽鍺長出來，而不會造成過大的應力而產生差排（dislocation），使得電子移動受到差排阻礙，這也是材料學。

5.依您在學界及業界多年的經驗，您認為具有怎樣特質的學生比較適合從事材料方面的研究？

 我們的研究都是teamwork，前幾名的學生可能自視較高，配合度不一定較好，像我做研究不一定要找成績最好的學生，而是找最適合我的學生。看起來程度好、肯配合、肯做事，有team spirit的學生是最好的。尤其像我做這些研究都是整合性很高的，步驟又多，一個人根本做不出來，所以我們都是跟IC廠一樣，以排班的方式，多做了還會額外給一些獎金。有學生說他不想排班，說他很有錢了，他不想做，我就跟他說：「那你要不要自己付錢做實驗?」因為我們要保養那些設備，都需要龐大的經費。所以我覺得team spirit這種在成績外的特質是非常重要的。

6.同學進入材料系後，在大一大二要學習相當廣泛的基礎課程，不過卻因為包含的領域太廣，學生往往不知該如何選擇未來的方向，能否請主任給這些同學一些建議？

 事實上材料本來就是運用物理、化學這些基礎，因此這些基礎一定要必備。其實國內大學不管是什麼系，在大一大二這段期間，課程都是最基礎的，當然在這些基礎理論的課程外，我們也開設材料學導論這門課讓同學了解到微觀的部分。基本上，材料就是介在機械巨觀與物理微觀中間；不像是我們學習的純物理一樣，是由一個一個原子結合而成，也不是像機械一樣去探討一塊一塊巨觀的東西，材料是去了解一顆一顆原子如何結合成一大塊晶粒，而探討晶粒如何互動，影響巨觀的物理及機械性質，所以材料系一、二年級就是在讓同學去了解這些道理。

那為什麼又會有材料學這個東西？是因為當初學機械的就在機械系，學陶瓷、高分子的就在化學系，學電子的就在電子系，後來大概在五、六十年前，在顯微鏡下發現這些都是原子構成的，在巨觀下也都是由晶體組成的，並不是如巨觀觀察下每個看起來都不一樣，而是有很大的共通性，所以獨立出一個材料系來做研究。

材料系到了大三大四才有應用方面的課程。其實國外材料系所的大學部人都不多，反而是研究所的規模很大，這是因為材料研究是要在基礎建立後，才能去加以應用，所以國外的材料系所大學部開課程都是多是偏重於基礎理論。

我們也知道同學會有這方面的困擾，所以我們讓低年級大學部學生去接觸成品，讓同學發現這些成品其實有很多是克服材料上的困難才做出來的。我們也簡化了材料科學導論的部分，就是為了使同學懂得它的language，不至於在學習很難的東西後，仍然不知自己所學為何物，並讓他們瞭解基礎與應用是並重的。

其實我們材料系中，有不少學生在研究所階段會被電子系吸引過去，因為在交大一直是以電子聞名，但學生不了解，實際上許多電子的問題，都要以研究材料的觀點才能解釋。近年來因為媒體的關係，讓大眾接觸到半導體，但是這些是由於材料特性的發現才能有今日半導體的發展。在小線寬的條件下，為了使電子傳輸速度更快，我們要尋找介電質較低的材料來配合。可是國外發明這些東西，都是因為材料研究上有所突破，然後才拿去積體電路上應用，而不是研究電子的人在毫無方向的摸索下就能找到材料，這是不可能的。

另外像LED的白光發展、使用藍光雷射的超大容量光碟片，這些科學家都了解，但為何做不出來？主要是材料的問題。雖然理論上知道這個東西可以做，但良率很低；或者是這個東西根本做不出來，不論在產能、價值上能不能有所突破，多半是受材料問題所影響。材料科技的應用是到處都看的到，在這期Busineas week 之科技新發展，就報導二則與材料有關之新知；一則是電燈泡用白光LED製作，因基板材料之改進，它的壽命將會是一般燈泡的二十倍，且價格為現今sapphine 基板價格一半；另一則是如高壓電傳導，以前是用鋁鎵外包鋼鐵電纜，卻容易因為電流太高太熱而膨脹導致接觸不良，現今可能用陶瓷電纜代替，其傳電流將為傳統金屬線之2至3倍，而不一定有過熱膨脹的問題。類似這樣的例子都是因為材料改進所引起之革命。事實上不論是電機、電子、機械、光電、化學等系的學生，學習的東西都可應用在材料科學上面。