書名：半導體大時代：從技術到趨勢，半導體的生活應用與產業未來

作者簡介

作者簡介

葉國光 教授
青輝半導體股份有限公司 總經理
　　葉老師畢業於國立清華大學核子工程與工程物理研究所，後赴日本名古屋工業大學奈微米元件中心（Nano-Micro device center）深造，在半導體行業沉澱凝練27年（1998~2025），主要研究方向為化合物半導體元件與ALD、ALE原子層沉積與蝕刻技術，在LED、LD、HEMT、VCSEL的晶片開發和ALD、ALE設備技術等領域具有非常權威的專長；葉老師曾擔任華南理工大學（SCUT）材料科學研究所客座教授、芬蘭派科森納米科技公司（Picosun Oy）中國區負責人，在芬蘭公司期間，葉老師積極引進芬蘭ALD技術至台灣和中國大陸，與兩岸多所頂尖大學、科研中心和高科技公司成立聯合實驗室，加速ALD技術在兩岸的普及，推動半導體設備與製程技術升級；葉老師目前任職青輝半導體株式會社董事總經理，積極引進日本半導體設備技術至台灣，推動台灣半導體設備本土化製造；在學術方面，葉老師在東南大學（SEU）積體電路學院擔任兼職教授與研究生導師，也受邀在上海電力大學（SHIEP）與達拉斯浸會大學（DBU）擔任特邀教授，培養兩岸的半導體設備製造與製程技術人才。

唐元亭 博士
　　大學就讀於華中科技大學物理學院，2017年獲理學學士學位，並保送至華中科技大學材料科學與工程學院攻讀材料學博士，於2024年取得工學博士學位。主要研究方向包括原子層沉積、選擇性原子層沉積技術開發，以及微奈米材料的設計與構築。已於《Nature Communications》、《Applied Catalysis B: Environmental and Energy》、《Journal of Catalysis》等國際期刊發表論文16篇，總引用次數超過470次。

葉晏瑋 博士
　　碩士與博士期間就讀於國立交通大學電機學院光電工程系，主要研究方向為原子層沉積與半導體光電元件。2019年取得碩士學位後，曾於國內半導體設備商從事薄膜製程研發工作（2020年至2022年）。2022年取得博士學位後，進入記憶體製造公司，從事薄膜製程相關技術研發工作。

書籍目錄

目錄

推薦序
　前交通部長╱葉匡時
　科技力智庫執行長╱烏凌翔
　日揚科技執行長╱寇崇善

前言

Part 1　緒論
1.1 半導體市場及競爭
1.2 半導體技術概述
1.3 未來半導體的走勢
1.4 兩岸翻譯的同與不同
1.5 附錄
Part 2　半導體理論基礎
2.1 光與波
2.2 電磁波
2.3 電磁波與無線通訊
2.4 量子力學與週期表
2.5 半導體能帶理論與半導體特性
2.6 PN接面與異質接面原理介紹
2.7 我對科學教育的看法
2.8 附錄
Part 3　半導體元件
3.1 半導體元件概論
3.2 半導體光元件
3.3 電力電子元件
3.4 射頻元件
3.5 CMOS相關元件
3.6 磁性記憶體
3.7 附錄
Part 4　關鍵半導體設備
4.1 蝕刻
4.2 離子佈植
4.3 薄膜沉積設備
4.4 原子層沉積的介紹
4.5 化學機械研磨
4.6 測試與材料特性檢測設備
4.7 空無一物的科學：真空科技
4.8 附錄
Part 5　先進製程介紹
5.1 積體電路先進製程介紹
5.2 先進製程及其關鍵設備：曝光機與相關設備介紹
5.3 先進製程及其關鍵設備：原子層蝕刻介紹
5.4 先進封裝技
5.5 先進封裝製程與設備介紹
5.6 先進封裝技術的進展與趨勢
5.7 附錄
Part 6　我對未來科技的看法
6.1 中國半導體未來發展的趨勢與看法
6.2 我看未來科技的趨勢
6.3 附錄

參考資料

推薦序/導讀/自序

前言

╱葉國光

　　半導體這個行業目前在全世界處在風口浪尖上，討論的熱度幾乎是我從事這個行業27年來無法想像的，我很喜歡看書，尤其是世界各地不同觀點的書，但是我查閱了很多中文版本關於半導體的相關書籍，有的太專業，不適合初學者，有的翻譯日語相關書籍，但是有點太簡單無法讓讀者更全面的了解這個行業，而關於半導體歷史與地緣政治的書籍，目前也充斥在書店醒目的位置上，可惜內容都是千篇一律，觀點也因立場而涇渭分明。去年夏天，我和我的學生唐元亭博士與葉晏瑋博士開完工作會議後，我突然有一個念頭，我要寫一本觀點中立，內容盡可能涵蓋半導體的技術進展與行業趨勢的書，這本書還要讓讀者可以毫無壓力的學習半導體知識，難度可謂巨大，但是他們兩個還是同意跟我一起接受這個挑戰，經過半年的努力，本書終於定稿，我們完成了一本兩岸半導體人一起合作的《半導體大時代》入門書。
　　本書內容涵蓋面非常廣泛，從半導體相關理論、元件與設備介紹、製程與材料、先進製程、先進封裝以及觀點中立的半導體發展與趨勢探討，都在我們的內容中毫無保留的呈現給想要進入或是想要更深入了解這個行業的讀者。本書還有一個特色就是在每個章節的附錄中對英文專有名詞的兩岸翻譯進行了羅列，以供不同地區的讀者查閱。
　　這本書的出版，我要感謝日揚科技寇崇善執行長對我出書的大力支持，我還要感謝前交通部長與高雄市副市長葉匡時教授的鼓勵，讓我可以利用這本書成為兩岸科技人溝通的橋樑，烏凌翔博士在《論政天下》與他的自媒體《烏鴉．笑笑》對這本書的大力宣傳，我也在此致上誠摯與衷心的感謝，真誠感謝兩岸的優秀半導體公司：青輝半導體、日揚科技、天虹科技、明遠科技、邑文科技、亞科電子、奈米科學、青禾晶元、天芯微、特思迪、全芯微、艾恩半導體、中微半導體、文德半導體、蘇州瑞霏光電、鐳昱光電、富臨科技、芯聚半導體與上海微電子在本書撰寫過程中提供的協助。
　　感謝我的同事倪林益總監、穆洪楊總監、戴建波總監與上海中微半導體羅長得經理在蝕刻與薄膜技術資料撰寫的協助。最後感謝邑文科技銷售副總劉鋒、銷售總監邵鑫、海欣盛電子科技總經理海國輝、先為科技銷售總監程曉燕與元夫半導體銷售總監施金花，他們五位不是半導體專業出身，但是在這個行業已經做的非常好，他們常常跟我抱怨自己的底子不夠好，希望我可以寫一本書給他們學習，夯實自己的專業知識基礎，他們是我當初寫這本書的目標讀者，他們的需求就是我寫這本書的源起與初衷。
　　未來，本書還會陸續出版簡體字版與英文版，正如我常常在上課的時候跟我的學生們這樣介紹自己：世界需要海峽兩岸扮演重要的角色，兩岸也需要跟世界更積極的融合，我堅信我就是那個橋樑，泛談半導體這本書就是見證！

文章試閱

Part 1　緒論
　　從2018年貿易戰開始的華為被制裁，到2020年台積電（Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, TSMC）被迫到美國設廠和斷供先進晶圓代工晶片給華為海思半導體，再到後來的中美科技戰，美國聯合歐洲、日本、韓國半導體供應鏈限制中國大陸先進半導體製程的發展，近年來的一系列事件將半導體行業推上了全球輿論舞臺的中心，激發了人們對半導體產業的廣泛關注。
　　事實上，半導體科技早已滲透到了我們生活中的每一個角落，如圖1 1所示，不論是我們每天都在使用的智慧手機、電腦、電視等電子產品，還是我們日常出行所依賴的汽車及其他智能交通系統，這些設備能夠如此智慧、高效地為我們服務，其背後離不開整個半導體產業鏈的強大支撐。在享受這些科技產品給我們生活帶來的樂趣與便利的同時，我們也應該對其背後的半導體產業有所瞭解。不論你是想要瞭解半導體行業的「好奇者」，還是即將進入半導體行業的「新鮮人」，亦或是已經置身於半導體行業的業內人士，我們希望通過這本書，和你一起探討半導體相關知識、感受這個爆發於「毫釐之間」的科技魅力。

1.1 半導體市場及競爭

1.1.1 全球市場
　　半導體產業是現代科技的支柱產業，支撐著從智能手機到超級電腦、從電動車到智能家居等眾多應用場景，得益於5G通信、人工智慧（Artificial intelligence, AI）、物聯網（Internet of Things, IoT）、智能駕駛等新興技術的快速發展，全球半導體市場規模近年來持續增長。如圖1 2所示，據上海積體電路產業報告統計，2023年全球積體電路市場規模約為6000億美元，並有望在未來幾年進一步增長，根據US. market的預測，到2029年全球半導體市場規模將突破一兆美元。
　　從區域分佈的角度來講，全球半導體產業表現出明顯的區域化特徵。亞洲一方面是全球最大的半導體消費市場，如圖1 3所示，2023年中國大陸的晶片需求占了全球晶片市場的30%；另一方面也是全球重要的半導體生產基地，以台積電為代表的晶圓代工企業，憑藉其先進製程技術，掌握了全球50%以上的半導體代工市場份額，同時，韓國則憑藉三星電子和SK海力士，在記憶體晶片領域佔據壓倒性優勢，壟斷了全球主要的DRAM和NAND Flash供應。美國則在半導體設計領域擁有絕對優勢，高通、輝達、超微半導體（Advanced Micro Devices, AMD）等企業在高性能計算和移動通信領域表現突出，同時美國也掌控著關鍵的電子設計自動化（Electronic design automation, EDA）工具和智慧財產權。另外，荷蘭的ASML公司則幾乎壟斷了極紫外曝光機（EUV）設備的市場，成為支撐5奈米及以下製程不可或缺的設備供應商。

1.1.2 制裁與突圍
　　隨著中國大陸在世界舞臺上的崛起，美國在經濟和科技等多個領域對中國大陸進行打壓，半導體科技更是成了「主戰場」，從技術封鎖到供應鏈斷供，美國對中國大陸半導體產業的制裁持續升級，面對重重壓力，中國大陸半導體產業不斷謀求突破與發展，從加大研發投入到完善產業鏈佈局，一系列舉措逐步落地生效，展現出了頑強的韌性與崛起的潛力。這裡我們不妨一起回顧一下2018年以來中國大陸面臨的「芯」的煩惱與應對之策。

（1）2018-2020年：美國初步封鎖，中國大陸「臨危應戰」
　　2018年，美國啟動對中興通訊的出口禁令，隨後進一步升級為對華為的打壓。這一波的打壓主要集中在電信設備領域，特別是基地台所需的射頻晶片（Radio Frequency chip）、現場可程式設計閘陣列（Field Programmable Gate Array）和資料轉換晶片（Data Converter Chip）。在這一設備領域美國廠商幾乎佔據主導地位，這波打擊對華為有不小的影響，但是對華為而言，還是可以有替代方案的。第二波衝擊是禁售企業網路通信伺服器所需的英特爾微處理器和微軟作業系統。這波制裁雖然只影響了華為10%的銷售額，但由於缺乏替代方案，打擊力度較大。不過，因其占比不高，影響總體可控。第三波衝擊是禁止華為授權使用穀歌和微軟的作業系統，導致華為手機、平板和筆記型電腦在海外市場銷售受阻，對其海外市場份額造成了巨大衝擊。
　　面對突如其來的打壓，中國大陸科技企業和政府迅速展開「臨危應戰」：華為啟動「備胎計畫」，通過自研麒麟晶片緩解斷供壓力，發佈並開始在其移動設備上使用鴻蒙作業系統；與此同時，中國大陸企業開始推動「去美化」進程，提升國產供應鏈的自主比例。
　　儘管中國大陸在此階段成功穩住部分關鍵領域，但在高端晶片、設備和材料等方面仍依賴進口，根本問題尚未解決。

（2）2021-2022年：封鎖加劇，中國大陸展開「產業自救」
　　美國延續對中國科技制裁，並聯合盟友升級對中國大陸的全面封鎖，包括禁止荷蘭ASML公司向中國出口EUV光刻機，同時限制含有美國技術的設備進入中國大陸市場，2022年，美國在發現中國大陸已實現7 nm製程晶片後，進一步升級對中國大陸半導體領域的打壓，將氧化鎵、氮化鎵等先進材料（這些材料可用於製造更先進的射頻設備和高功率半導體元件）被納入出口管制名單，同時限制中國大陸使用3 nm及以下製程所需的晶片設計工具、這些措施不僅打擊了中國大陸在先進製程領域的追趕能力，還直接影響到部分企業的日常生產。2022年10月，美國針對中國大陸高端半導體產業提出了更嚴苛的限制政策，包括禁止美國相關人員或綠卡持有人參與中國大陸高端半導體企業發展；禁止中國大陸企業使用含美國技術的設備；所有半導體相關產品需通過美國政府審批，即使該產品涉及消費電子等民用領域。這一系列制裁給中國大陸半導體產業鏈帶來了全面衝擊，包括晶片設計、製造、設備採購等多個產業環節。
　　面對愈發嚴峻的封鎖，中國大陸也加大對晶片設計、製造和設備研發的投資力度。中國大陸國內企業逐步攻克14 nm製程所需設備和材料，並在記憶體晶片領域實現量產突破。儘管中國大陸在成熟製程領域取得一定突破，但高端晶片的短板依然未能填補。

（3）2023-2024年：全面攻防
　　2023年，美國進一步擴大對中國禁令，涉及從晶片設計到生產的全產業鏈：禁止製造10 nm及以下晶片的設備出口至中國大陸；限制中國大陸企業購買高性能AI晶片，如英偉達A100；對涉及中國的半導體企業進行嚴格技術審查，壓制其國際業務擴展。2024年12月初，美國商務部出臺對中國大陸新一輪晶片出口禁令，涉及積體電路設計的3款軟體工具，先進高頻寬記憶體（HBM）的「HBM2」及以上更先進的晶片，以及140家中國大陸實體企業。筆者看了這波制裁的企業清單，幾乎把中國大陸目前表現最突出的晶片設計（華大九天EDA、晶源微、國微集成與清芯科技），晶片製造（中芯國際、聞泰科技與青島芯恩），關鍵設備（北方華創、華海清科、上海微、盛美、拓荊科技、凱世通半導體、芯源微、中科飛測與屹唐半導體），重要材料與備件（新昇半導體與光科芯圖）與高純化學品與氣體（南大光電、基石科技、科源芯氟與至純電子）的企業都列入了，這已經是美方近三年來對中國大陸半導體行業發起的第三次大規模打擊。
　　儘管如此，中國大陸並未放棄突破的努力。2024年9月，中國大陸工信部宣佈已研發出氟化氬光源曝光機，雖然仍未達到28nm以下的先進製程水準，但這一進展標誌著中國大陸逐步實現半導體關鍵技術的自主可控。
　　12月3日，中國互聯網協會、中國半導體行業協會、中國汽車工業協會和中國通信企業協會發佈聲明，認為美國晶片產品「不再安全、不再可靠」，呼籲中企謹慎採購美國晶片。同一時間，中國商務部發佈公告，宣佈嚴控對美出口鎵、鍺、銻、超硬材料、石墨等相關材料，這些都是半導體製程與軍工非常重要的材料。
　　在人工智慧方面，拜登政府開啟新措施阻止中企從協力廠商採購先進人工智慧（AI）晶片，新的出口管制措施將側重用於AI模型訓練的圖形處理單元（GPU）的全球出貨，新措施將防止中企通過第三國獲得GPU等受限硬體，目的是監管美國產品的「擴散」，以確保美國保持全球AI領導地位。12月9日，中方監管部門因輝達（NVIDIA）涉嫌違反反壟斷法而依法對其開展立案調查，據計算，英偉達面臨罰款金額最高可能達到20.6億美元至50.15億美元。
　　上述內容便是近年來美國與中國大陸的科技戰交鋒的基本情況，2025年1月20日，川普即將上任，科技戰或將來到關鍵時刻，筆者認為美國不會再加碼半導體相關的新禁令，但是其將逼迫外移的半導體產業鏈回到美國投資，台積電會被脅迫在美國建立更先進的晶片廠，尤其是3 nm與2 nm晶片會加速在美國建廠；與此同時，美國優先的政策會促使之前一起配合美國科技制裁的國家有所動搖，甚至轉向中立。日本、歐洲、韓國的半導體公司或將採用兩套系統的設計與生產，一套是完全沒有美國元素的系統提供給中國大陸或對美國有疑慮的國家，另一套系統給美國以及相關西方國家。筆者認為川普的MAGA（Make America Great Again）孤立主義，非美化的系統會有越來越大的市場，時間的天平似乎又開始對中國大陸有利，中國大陸的半導體從業者應該會利用未來這四年非常難得的機遇，除了發展自己，也要跟非美國的西方與日韓國家建立更友好與緊密的關係，破解拜登時代執行的非中國半導體體系，完成非美國的全球半導體生態體系。

1.2 半導體技術概述

1.2.1 半導體技術的過去與現在
　　什麼是半導體？顧名思義，導電性質介於導體與絕緣體之間的材料就是半導體，這類材料在常溫下的電阻率通常在10-3 Ω·cm-1∼109 Ω·cm-1。半導體的發展最早可追溯到18世紀30年代，英國物理學家法拉第在對硫化銀材料的電性研究中發現其電阻隨溫度的升高而降低，而這正是半導體材料有別於傳統導體材料的一大特性，即負溫度係數效應（negative temperature coefficient, NTC）。此後100餘年的時間裡，半導體材料的光電導效應、整流效應等相繼被發現，同時隨著相對論、量子力學、固體能帶論等物理理論的發展與完善，半導體材料的神秘面紗逐漸被揭下。
1947年美國貝爾實驗室製造出了世界上第一個電晶體，自此屬於半導體的榮光時代正式開啟。如圖1 4所示，在第一個電晶體面世11年後，美國德州儀器（Texas Instruments, TI）的工程師傑克．基爾比和英特爾（Intel）公司的羅伯特．諾伊斯分別獨立的發明瞭積體電路，實現了在同一基板上放置多個半導體元件，這一創新為電腦技術、通信技術等帶來了飛躍性的發展打下了基礎，也讓基爾比在2000年拿到了諾貝爾物理學獎；1965年，戈登．摩爾提出了大名鼎鼎的摩爾定律，預測積體電路上電晶體的數量約每18個月翻一倍，在摩爾定律的推動下積體電路以驚人的速度飛快發展；1971年，Intel推出首款商用微處理器，正式拉開了個人電腦（PC）時代的序幕；1980年前後，絕緣閘雙極型電晶體（IGBT）被發明，其結合了MOSFET的高輸入阻抗和BJT的低導通損耗，極大地提高了電力電子系統的效率和穩定性；1993年，日本的中村修二博士成功製造了高亮度的藍光LED，掀起了一場顯示革命；2006年，ASML推出全球首台極紫外光（EUV）曝光機原型，將積體電路的製程節點進一步縮小。2013年，三星公司宣佈成功開發出5G通信技術， 5G的部署不僅加速了全球無線通訊技術的革新，還為智能設備、增強現實（AR）、虛擬實境（VR）等應用提供了強大的支援。2022年，輝達（NVIDIA）發佈H100晶片，為以Chat GPT為代表的生成式AI提供了硬體支援。
　　聊完半導體科技的「過去」，我們不妨著眼於「現在」，談一談如今半導體科技都被應用到哪些方面。正如本書開篇所提及的，從消費電子到通信行業，再到能源、醫療、交通等多個領域，半導體的應用無處不在，且在不斷推動著各行各業的變革與發展。首先，就消費電子領域而言，幾乎所有現代電子產品，如智慧手機、平板電腦、電視機以及家用電器，都離不開半導體元件，電晶體、積體電路、微處理器等半導體元件是這些設備的核心，支撐著計算、通訊、影像處理等基本功能，它們使得這些設備具備了強大的性能和功能，成為現代生活中必不可少的部分；在通信行業，半導體的應用更是至關重要。隨著5G技術的普及和物聯網（IoT）的興起，對通信設備的半導體晶片需求日益增加。半導體材料在信號處理、資料傳輸和網路通信中的應用，使得通信設備能夠實現高速、穩定的傳輸與接入。除了傳統的移動通信設備，衛星通信、光纖通信等高端領域也在廣泛應用半導體技術，推動著全球通信基礎設施的不斷升級。
除了傳統的消費電子和通信行業，半導體技術還在能源、醫療和交通等多個高端領域得到了深入應用。在能源領域，太陽能電池、LED照明和其他能源轉換設備依賴半導體材料進行高效的能量轉換與利用，推動了綠色能源的發展；在醫療領域，半導體材料被廣泛應用於醫學成像、生命體征監測等設備，推動了健康管理和診療技術的革新；在交通領域，自動駕駛、智慧交通系統和車載導航等技術的核心也離不開半導體晶片的支援，使得現代交通更智慧、更高效。
總之，半導體技術不僅是現代資訊時代的基石，更在各個行業中扮演著推動創新和變革的核心角色。從日常消費品到高端工業應用，半導體無處不在，已經成為提升生活品質、推動科技進步的重要力量。