由於近年地球暖化與碳排放衍生的環保問題日益嚴重，人類以節能、減碳、愛護地球為共同的首要發展方向，石化能源必須逐步減少並快速導入綠能節電的應用，因此在日常生活用品中也逐步以高能效、低能耗為目標。

舉例而言，聯合國在氣候變化大會巴黎協議中的目標──全球暖化幅度需保持在2℃以內。以目前的經濟發展趨勢預估，即便2050年的升溫保持在2℃內，CO2排放量仍將提高21%，且必須另外取得高達50%的電力因應各種人類活動。因此，大幅提升與改善現有的能源，已是大勢所趨。

半導體原料最大宗，主要以第一類的「矽(Si)」晶圓的生產製造為主，然而在現有以「矽(Si)」基礎的產品，因材料的物理特性已達極限，無法再提升電量、降低熱損、提升速度，因此需朝向其他更能發揮電子傳輸效率與低能耗的材料演進，而具備高能效、低能耗的第三類寬能隙 (Wide Band Gap，WBG)半導體就在此背景之下因應而生。

我們先來了解一下何謂「能隙 (Band Gap) 」?

基本上要用量子物理的理論來簡單說明，在「能帶(Band)」的劃分主要為低能帶區的「價電能帶」 (Valence Band，VB)，與高能帶區「導電能帶的(Conduction Band，CB) 的兩種，在VB與CB之間即是一個所謂的能帶間隙 (Band Gap，BG)，簡稱「能隙」(圖一)。

金屬材料能夠導電，主要是因為電子都位於高能的CB區域內，電子可自由流動；而半導體材料在常溫下主要電子是位於低能的VB區域內無法流動，當受熱或是獲得足夠大於「能隙(BG)」的能量時，其VB內電子即可克服此能障，躍遷至CB而形成了導電特性。

因此在積體電路中的電晶體(Transistor)元件，當施加一個小電壓即能快速啟閉電源，長久以來，這個能隙(BG)較小的「矽(Si)」材料才會被大量地採用至今。

然而，當操作的溫度高於100度之後，產品就容易開始產生退化甚至故障，無法應用在更嚴苛的環境，如交通、軍事或是太空等工具的使用，尋求可耐高壓高溫的第三類寬能隙半導體(Wide Band Gap，WBG)材料才會如此必要。

我們都知道，功率(Power)是電流(Current)與電壓(Voltage)加乘的正比關係；在高功率元件(Power device)的使用上，我們所熟知的第一類半導體材料-矽(Si)能隙為1.12eV，第二類半導體通訊用的材料砷化鎵(GaAs)為1.43eV，都已在我們的生活中廣泛使用長達二、三十年之久，但這類低能隙材料使用的溫度、頻率、以及功率都已無法突破，必須找尋更合適的材料來替換。

而第三類寬能隙半導體(Wide Band Gap，WBG)材料可以提升更高的操作電壓，產生更大的功率，並且將能損降低，另外相較Si元件的體積又可大幅縮小。

那麼有哪些更佳的寬能隙材料呢?如Si與C的化合物碳化矽(SiC)，相關的材料能隙均可大於3.0eV；另外，Ga與N或O的化合物氮化鎵(GaN)或氧化鎵(Ga₂O₃)也分別高達3.4eV與4.9eV，而鑽石(Diamond)更高達5.4eV(表一)。

其中氮化鎵(GaN)或氧化鎵(Ga₂O₃)，雖然分別在LED照明或是紫外光的濾光光源應用已經一段時間，但受限於這類半導體材料的特性在生產製作上挑戰性仍然是高的。

例如，要製作SiC的單晶晶棒，相較Si晶棒的生產困難且時間緩慢很多，以及GaN與Si晶圓的晶格不匹配易生成差排缺陷(dislocation defect)等問題必須克服，導致長久以來相關的製程開發困難且花費高昂。

不過，近年來的國際知名大廠意法半導體(ST Microelectronics)、英飛凌(Infineon)、羅姆(Rohm)等均有相當大的突破。如GaN在以Si或SiC為基板的產品已陸續發表，目前市售的快速充電器採用的即是GaN on Si材料製作的高功率(如60瓦以上)產品，其除了功率提升外，也因為溫度與熱效應可大幅降低，使得元件可大幅縮小，充電器體積也更加玲瓏小巧，未來這在行動裝置、筆電等快充電源的應用更是潛力無窮。

現行以矽基材料為主的高功率產品多以絕緣閘雙極電晶體(IGBT)或金氧半場效電晶體(MOSFET)為主，如圖二，可以看到各種功率元件和模組與相關材料應用的範圍，雖然在傳統IGBT高功率模組大約能應用至一百千瓦(100kW)以上，但速度卻無法提升至一百萬赫茲(1MHz)。

而GaN材料雖然速度跟得上，但功率卻無法達到更高的一千瓦(1kW)以上，必須改用SiC的材料。

SiC因具有比Si更好的三倍導熱率，使得元件體積又可以更小，這些特性使得它更能適合應用在電動車內。在特斯拉的model3也從原先的IGBT改成使用意法半導體(ST Microelectronics)生產的SiC功率元件，作為其牽引逆變器(Traction inverter)、直流電交互轉換器與充電器 (DC-to-DC converter & on-board charger) 等的應用，提高電能的使用效率與能損的降低。

在未來更高的電力能源需求下，車載裝置除了須具備基本的高功率外，還需要極高速的充電能力以因應電力的補充，車用充電樁、5G通訊基地台、交通運輸工具、甚至衛星太空站等更大的電力能源需求，相關的電流傳輸轉換，電傳速度的要求以及能損的降低，不得不邁向更有效率的WBG材料進行大規模的開發，超高功率的SiC元件模組需求亦會大量地被採用。

宜特觀察，晶圓代工廠與功率IDM廠商也都持續不斷地努力研究與開發。不過，新半導體材料，在初期開發中，總是會有許多需進行研發驗證的狀況，近年，宜特就協助多家 WBG產業的開發與生產驗證。

比如磊晶製程相關的結構或缺陷分析，就可以藉由宜特科技的雙束聚焦離子束(Dual beam FIB)製備剖面樣品並進行尺寸量測或成分分析(EDS)，亦可搭配穿透式電子顯微鏡(TEM)進行奈米級的缺陷觀察；

而相關擴散區域的分析可經由樣品研磨製備剖面後，進行掃描式電子顯微鏡(SEM)觀察以及掛載在原子力顯微鏡 (AFM)上的偵測模組-掃描式電容顯微鏡(SCM)判別摻雜區域的型態與尺寸量測，如圖三為SiC的元件分析擴散區摻雜的型態，先用SEM觀察井區(Well)的分布位置，再經由SCM判斷上層分別有N與P型Well以及磊晶層(EPI) 為N型。

另外在摻雜元素及濃度的分析，則可透過宜特科技的二次離子質譜分析儀 (SIMS)的技術，圖四為GaN on Si的元件，先用雙束聚焦離子束(Dual beam FIB)進行剖面成份分析(EDS)判斷磊晶區域的主要成份之後，提供SIMS參考再進行摻雜元素Mg定量分析濃度的結果，作為電性調整的依據。

諸如上述介紹WBG元件結構的解析之外，其它任何產品都可透過宜特實驗室的材料分析及電性、物性故障分析來尋求解答。當然，包括因應安全要求更高的產品可靠度測試與評估，均可藉由宜特提供更完整全方位的驗證與服務。