不久前在電影院觀看《拿破崙》（Napoleon）一片，距離上回看拿破崙《滑鐵盧戰役》（Waterloo）一片，已經是五十多年前的事，那時我還在念小學。《拿破崙》演到1812年，拿破崙率領六十多萬以法國為首的大軍，攻打俄國。在嚴寒的冬天一路打到莫斯科，但是因為俄國採取焦土策略，大軍得不到適當的補給而落敗。最後僅殘餘數萬軍隊。此次挫敗也造成拿破崙第一次遭放逐。事後歷史檢討此次作戰失利的原因，當然包括嚴寒、補給，甚至於認為部隊已嚴重感染傷寒。但是好事的化學家，卻提出不同的看法，認為拿破崙在俄國戰敗，原因出在部隊的軍大衣鈕釦。因為大衣鈕釦是用錫所製作的，錫在常溫下可閃閃發光，但在嚴寒下卻會開始裂解，部隊因無法保暖作戰而落敗。結論是擁有軍事天賦的拿破崙，欠缺化學知識。無獨有偶地，15世紀的英國國王理查三世，御駕親征在玫瑰戰役中（Wars of Roses），因為坐騎的一個馬蹄鐵掉落，重摔在地而失掉戰役及一個王國。這個掉落的馬蹄鐵，卻是因為少釘了一個馬蹄釘。這也是拜登（Joe Biden）總統在剛上任時，一手拿著半導體的晶圓告訴媒體，半導體就是美國的馬蹄釘（horseshoe nail），失去一個馬蹄釘，就失去一個王國的典故。如同一顆鈕釦，決定一場戰役。半導體不僅是美國的馬蹄釘，對於世界幾個主要的大國亦是如此，當大國們體認到馬蹄釘的重要時，代表其已經開始失去了。眾所周知，半導體是發源於美國。二次大戰後，美國為了圍堵共產勢力，認為扶持起日本，振興日本經濟，對美國是有利的，當然台灣也獲得美援及美軍協防。Sony創辦人盛田昭夫，在1948年就到了貝爾實驗室，看到才剛發明的電晶體。日本很快地取得美國授權，開始發展半導體產業，之後的70年代，日本製可隨身攜帶的半導體收音機風行於全球。到了70年代初期，當時美國總統尼克森（Richard Nixon）曾說過，一個有歷史的民族，是不會滿足於只當電晶體收音機的製造者。果不其然，日本的半導體產品開始席捲美國的市場，尤其是DRAM，美國廠家紛紛退出。我記得在美國留學期間，參加國際電子元件研討會（IEDM），當時的主流技術幾乎都是由日本公司所發表。美國感受到威脅，祭出針對日本的關稅、反壟斷等商務措施，同時開始扶植南韓。日本半導體產業的衰敗，除了日圓升值、泡沫經濟、未能掌握到數位時代的來臨等因素，但也跟南韓崛起有密切關係。除此之外，美國為了拉攏中國大陸加入西方的民主陣營，以對抗俄羅斯，於90年代中開始，想辦法促成中國以開發中國家加入世貿組織，中國因而受惠於自由貿易，經濟崛起，也獲得不少來自西方的尖端技術。然而，中國還是決定要走不一樣的路，與美國抗衡，也導致近來的科技制裁，尤其在半導體領域。台灣的半導體產業則完全不在美國的戰略架構下，所獨立發展出來的，但是跟美國也脫離不了關係，因為我們的人才養成及技術來源，很多都來自於美國。經過了幾十年的努力，台灣是個擁有半導體馬蹄釘的國家，現在我們忙著到全球各地幫馬匹們釘馬蹄釘，因為這些國家認知馬蹄釘就是國家安全。但是一旦這群馬匹都有了牢固的馬蹄鐵，我們的國家安全是否因此失去保障？事實上，半導體產業是最不需要去客戶端就近設廠，服務國外的客戶，因為半導體本身就沒有關稅，而且又輕薄短小，一個紙箱就可價值數百萬美元。在《拿破崙》及更早的《滑鐵盧戰役》電影中，都描述在滑鐵盧戰役，起初法軍是佔上風的。但在中午過後，拿破崙因為身體不適，一度將指揮權交給副手，因而出了亂子，其所倚重的騎兵大量地損失，再加上敵軍增援部隊的來到而落敗。所以一個公司甚至一個國家，指揮權的轉移是非常的關鍵。我們的馬蹄釘不多，國家安全要有保障。

不久前我請教台灣一位長期投入碳化矽（SiC）元件開發的教授，我問他，你使用過不同廠商的基板，哪一家的表現最好？因為碳化矽基板佔其製作好晶圓成本的一半以上，而且又是技術難度最高的部分。他莞爾地對我說，要說實話嗎？他的結論是中國的表現最好，而且價格最具有競爭力，台灣生產的及美國的次之，美國廠商因為是IDM，最好的基板大都留給自家用。幾個月前有2則新聞吸引我的注意，一則是德國英飛凌（Infineon）與中國的山東天岳、北京的天科合達，簽訂碳化矽基板長期採購合約，現階段供應6吋晶圓，而未來將是8吋。2家公司是目前中國碳化矽基板的主要供應商。另一則新聞是歐洲的意法半導體（STM）與廈門的三安光電，計劃在重慶建1座8吋碳化矽晶圓廠，劍指中國蓬勃發展中的電動車產業。三安也規劃自建1座8吋碳化矽基板的生產基地。英飛凌與意法，佔碳化矽元件及模組全球市場50%以上比例，而意法更是率先在2018年供應Tesla Model 3碳化矽元件，此舉正式引爆碳化矽風潮。目前全球碳化矽基板的需求量每年約50萬片，以6吋為主流，七成以上由美國的2家廠商所供應。中國市佔率大概10%，但是隨著產能逐漸開出，以及中國在電動車的強勁需求，預估中國碳化矽基板的全球市佔率，很快會超越5成。現在碳化矽產業目光的焦點在於8吋晶圓開發，傳統6吋以下的成長單晶柱（ingot）的方法，是使用蒸氣的昇華法，將6吋的seed wafer置於上端，利用高溫爐內材料的蒸氣附著於上端晶圓的表面，而得以成長晶柱。此方法最大缺點，乃晶柱成長速度慢且晶柱長不厚，若運用此法在成長8吋的基板，將更形捉襟見肘。上述中國的2家供應商已開始使用新的液態成長法，來成長碳化矽8吋晶柱。此法較接近一般矽晶圓的晶柱成長，在上端可以使用較小尺寸的seed wafer來成長8吋的晶柱，由於不需要到氣態，成長的溫度也可以較低，同時速率較快，晶柱也可以厚些。但是液態成長法需處理液態材料與固態晶柱的介面，在溫度梯度的控制要非常精準，這恐怕不是一般商用爐子能做到的。因此推論中國供應商已經具有自建精確溫度控制爐子的能力，事實上一家產能夠規模的碳化矽基板廠商，是需要上千台的高溫長晶爐，因此自建高溫爐是必要的選項，這方面中國的供應商是做到了。我們再來談另一個第三類半導體氮化鎵（GaN）。不久前的一則新聞，美國一家氮化鎵元件主要供應商EPC，向美國聯邦法院及國際貿易委員會（ITC），控告中國的英諾賽科侵害其在氮化鎵元件的專利。事實上英諾賽科從2023年第1季開始，其在氮化鎵元件的營收已經躍居全球首位，其在珠海及蘇州各有1座8吋氮化鎵專屬的晶圓廠，以及超過20部有機金屬化學氣相沉澱設備（MOCVD）成長氮化鎵的磊晶片。目前月產能為1.5萬片，佔了全球總產能一半以上，預計在2025年英諾賽科產能要擴充到每月7萬片，以此推估需要70部MOCVD機台。英諾賽科有別於其他主要氮化鎵供應商，其商業模式是IDM，在成本上相對是有優勢。相同的元件規格，比其他供應商的價格低30～50%。氮化鎵元件在2年前，因為65W的手機快充電源插頭熱門一時，如今市場比較低迷。但是近來在人工智慧（AI）伺服器所需的直流電源轉換，對於中低壓氮化鎵的需求正在崛起，這部分需要操作在較高的切換頻率，及更大的輸出電流，正符合到氮化鎵的物理特性。如果氮化鎵的價格有機會降到略高於矽基功率元件，毫無疑問氮化鎵的需求是會起飛的。在第三類半導體研發上中國也是不遺餘力地投入。以大學為例，幾所著名的大學，如北京清華、浙江大學、西安交大、成都電子科大，甚至南京航天，都成立關於第三類半導體的研究群，訓練出眾多的碩博士生投入相關的產業。每年IEEE功率半導體最主要的會議ISPSD，中國的高校在第三類半導體的議題上，貢獻一半以上的論文。中國第三類半導體廠商的確接受政府為數不少補助，才得以建立今天的產業規模。從已公布的財報而論，山東天岳及天科合達本業都是虧損的，英諾賽科離損益兩平是更遙遠。在此情境下，各家仍卯足全力來擴產，似乎是不理性的行為。但是綜觀中國過往在太陽能、LED甚至鋰離子電池，在市場還在萌芽之際，便積極地投入產能，只要這個產業的成長性是可被預期的，假以時日，中國擁有這產業的半壁江山，就具有充分話語權。台灣該如何自處呢？在此態勢下。多年前個人就說明了，第三類半導體產業需要供應鏈的垂直整合，而在台灣卻缺乏政策上有效的支持，現在再來談，為時有點晚。我們只有期望在全球兩大陣營的僵持下，我們想辦法能左右逢源，但這可以維持多久呢？ 

2023年9月下旬，媒體報導韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope；JWST）探測到木星的第二號衛星（木衛二，Europa）的表面冰層，有二氧化碳的蹤跡。科學家長期以來認為在木衛二及土衛二（土星的第二顆衛星），其表面冰層下因為引力的作用，存在著豐富的海水。這兩顆衛星是太陽系內除了地球外，最有可能存在生命的星球。土衛二在先前已有NASA卡西尼（Gassini）太空船飛越，偵測到其表面有碳、氫、氧、氮甚至磷等，構成生命必要元素，而此次木衛二是經由太空望遠鏡的觀測而獲得。韋伯太空望遠鏡自從2022年發射升空後，除了提供了更遙遠星際的清晰影像外，由於其主要觀測的光譜位於近紅外線（near IR；NIR，波長0.6～5微米），及中紅外線（Mid-IR；MIR，波長5～28微米），可見光波長是在0.4～0.7微米，因此對於天文學家研究宇宙的形成、星系的演化及探測可能的生命，提供必要工具。除了影像的提供外，韋伯太空望遠鏡也內建分光儀，可以做光譜分析，恆星的發射光譜或者行星的吸收光譜，舉凡二氧化碳、氫分子或者甲烷等，都逃不過它的利眼。韋伯太空望遠鏡是如何做到的？這個偉大的計畫是為了接續第一代的哈伯（Hubble）太空望遠鏡而成立，從構想到實現超過20年的功夫，總耗費100億美金，由美國、歐洲及加拿大三個太空單位合力所完成。韋伯太空望遠鏡是為了紀念美國在執行登月阿波羅計畫時期，NASA的主管James Webb而命名。韋伯與哈伯除了偵測的光譜不同外，哈伯以可見光為主，兩者所運行的軌道也不一樣。哈伯是位於地球上空約550公里的高度，相當於現在低軌衛星的距離；韋伯太空望遠鏡卻是位於離地球150萬公里的超高空，是月球與我們距離的4倍遠。為何會放在那麼遠的太空？原來那個區域是個所謂被引力遺忘的角落。十八世紀2位偉大的數學家Leonhard Euler以及Joseph-Louis Lagrange，已計算出在地球運行的軌道面，有5個區域是太陽與地球引力互相抵消的地方，這150萬公里的高空是離我們最近，且同時可以背對著太陽、地球及月球，可以避免三者所造成的光害。哈伯因位於低軌道，因此時時受到這三個星球不同引力的影響，需要使用燃料噴氣，來調整望遠鏡本體的姿態及角度。韋伯沒有此一限制，可以讓望遠鏡的生命週期更久。但是低軌道的哈伯是太空梭可以抵達的地方，可以進行必要維修，韋伯可就沒有這個福分了。記得哈伯在剛運作時，影像是模糊的，原因是鏡片有2微米的誤差，後來是透過太空梭及太空人實施必要更換，方能正常運作。韋伯的核心是NIR以及MIR鏡頭，這兩段光譜是如何被吸收而轉換為電訊號，傳回到地球？這裡就牽涉到2種不同的半導體材料。作為紅外線的光偵測器，這分別是NIR的碲化汞鎘（Hg1-xCdxTe；MCT）以及MIR的Si（As doped）。MCT乃化合物半導體，一般大眾所熟悉的化合物半導體是IV-IV（四四族）的SiC, SiGe，或者III-V（三五族）的GaAs、GaN，而MCT卻是II-VI（二六族）。II-VI族半導體其共價鍵愈弱，而離子鍵愈強，因此不論在晶體或磊晶的成長，或是在製作元件上就更具有挑戰性。這兩種紅外光偵測元件，分別是由２家位於美國加州，專業於光偵測器的公司所研發完成。MCT藉由改變x的組成，也就改變半導體的能隙（bandgap），因此可將光偵測元件的吸收光譜的臨界值，由波長0.8微米（x=1）調整到5微米（x=0.3）；Si（As）則是利用砷摻雜在矽半導體內，所需要的游離位能（30-40 meV），當作MIR的吸收能階，使得元件得以吸收28微米的紅外光。然而這2種紅外光的偵測器，都得在極低的溫度下操作，尤其是Si更是需要在絕對溫度10K以下的超低溫工作。韋伯在面對太陽的一面，溫度常會超過攝氏50度，科學家們利用特殊的材料，製作出大面積且極薄的光罩版，阻絕太陽的光及熱，使得在很短的距離內，溫度可以下降300度，讓這兩類的紅外光偵測器，才得以正常的工作。30年前當筆者剛任教於國立中央大學，參與部分中研院天文所的無線電天文望遠鏡的計畫，時任中大校長的劉兆漢先生就告訴我，天文觀測所使用的技術都是最尖端的科技，劉校長本身是位太空科學專家。這件事發生在中研院的次毫米波無線電天文陣列上，也同時見證於韋伯紅外線太空望遠鏡上。

2023年7月28日台積電盛大地慶祝其永久性研發大樓的落成，過去台積電的研發中心都是跟著不同的廠區而遷移，逐水草而居，如今擁有永續基地。這棟大樓可容納超過7,000名研究人員，而台積電的研發經費，多年來都佔其營收的8%。以去年（2022年）超過730億美元營收，研發經費就將近55億美元。所以創辦人張忠謀特別提到，台積電的研發經費，遠遠超過麻省理工學院（MIT）1年約20億美元的研究經費。董事長劉德音在研發大樓落成慶祝儀式中，特別提到希望將台積電的研發中心，打造成台版貝爾實驗室。貝爾實驗室這座我學生時代心目中的科學聖地，是造就15位諾貝爾獎得主的殿堂，包括2位華裔的崔琦及朱棣文教授。研究半導體的學者若此生沒到過貝爾實驗室做過一段時間的研究，如同伊斯蘭教信徒沒去過麥加朝聖般。貝爾實驗室的經費來自於母公司美國電話及電報公司（AT&T）。1982年全盛時期，貝爾實驗室經費是16億美元，員工2.2萬名，其中博士學位者超過3,000人。當時AT&T年營收是347億美元，佔當時美國GDP的1.1%，所以貝爾實驗室的研發經費是AT&T營收的4.6%。1984年因為反壟斷法的關係，AT&T拆分7家獨立的區域型電話公司，從此貝爾實驗室的經費及重要性開始走下坡，如今已成為諾基亞（Nokia）旗下一員。眾所周知電晶體的發明，誕生於1947年的貝爾實驗室，除此之外MOS電晶體、非揮發記憶體floating gate、半導體雷射，甚至於也拿過諾貝爾獎的CCD元件，皆出自於貝爾實驗室，當然還有更多在半導體領域重要發明。延伸報導台積電全球研發中心啟用　張忠謀透露台灣成全球兵家必爭之地的關鍵 (新增影片)貝爾實驗室從1940年代，一直到1990年代，在半導體領域的研究上一直是獨領風騷。MOS電晶體以及其所衍生的CMOS，是所有積體電路以及分離器件中最被廣泛使用的元件結構，於1959年由Mohamed Atalla以及韓裔的Dawon Khang（姜大元）博士在貝爾實驗室所共同發明。MOS元件的特點在於，在電晶體的控制端—閘極（gate）金屬下方成長一層薄的二氧化矽絕緣層，可利用絕緣層的電容來控制輸出的電荷量，同時不會有電流流進閘極。當電晶體尺寸愈做愈小的同時，MOS所消耗的功率愈少，而操作的速度就愈快，成就摩爾定律，也造就今日世界。現今半導體兩大記憶體分別是DRAM以及Flash（NAND、NOR），DRAM是1966年由IBM所發明，其作用是將電荷儲存在矽半導體所製作的電容內，並由電荷電位的高低決定記憶的位元是0或1。但是半導體內的電容很容易漏電，隨時得補充電荷以維持記憶狀態，一旦關掉電源記憶隨即消失，故被稱為揮發性記憶體（volatile memory）。Flash是非揮發性記憶體（non-volatile memory），即使無電源供應，記憶狀態依舊保持。其中最關鍵的結構floating gate，是施敏教授（S.M. Sze）與姜大元博士於1967年提出。此架構是將儲存電荷的閘極，完全包覆在二氧化矽絕緣層內，不會有漏電流發生，而電荷是利用量子穿隧效應（tunneling）注入進floating gate。據施敏教授口述，他是在實驗室大樓自助餐廳看到鮮奶油蛋糕，在蛋糕內的層與層之間，塗了一層薄的鮮奶油，激發floating gate這個創意。此一重要創舉，第一次投稿時卻被學術期刊的編輯退件，最後是刊登在貝爾實驗室所辦的學術期刊內。談論到施敏教授，必須得提他所著作的《半導體元件物理》（Physics of Semiconductor Devices）一書，該書是是半導體領域的聖經。我在研究所時讀的是1981年的第二版，全書有880頁。有一整年的時間對我而言，幾乎是晨昏定省，從第一章第一節，研讀到最後一章完。到後來整本書的封皮都剝落了，有時讀累了就趴在書上小憩，書本中難免夾雜個人的汗水及口水。施敏教授是向貝爾實驗室申請，全職來寫這本書，這本書內容廣泛且論述清晰，尤其參考資料非常豐富。《半導體元件物理》不僅是本教科書，也是做研究所需的入門書籍。據他本人描述，所收集的論文資料，堆起來有一個人高度。施教授寫書的時候，在他的書桌旁放了一個字紙簍，如果他看不懂的文章就丟到裡面。他說如果連他都看不懂，那很難有人會懂了。據統計在美國有4成科學家，其出生地非來自本土，相信在貝爾實驗室的比例更高。Atalla出生地是埃及，姜大元博士是南韓，施敏教授出生於南京，在台灣完成大學教育。即便連兩位因CCD發明而獲得諾貝爾獎的 Willard Boyle及 George Smith，前者也來自於加拿大。惋惜的是在南韓被視為國寶的姜大元博士，不幸於1992年在結束學術會議，返家途中昏倒過世，否則也極有可能獲得諾貝爾的殊榮。最後，我們祝賀台積電研發中心的落成及運作，也期望一如貝爾實驗室能吸引國際一流人才進駐，引領半導體相關領域的研究，邁入下一個新紀元。 

2023年9月的SEMICON Taiwan會議中，矽光子（Si photonics）技術引起熱烈討論。在9月5日「矽光子國際論壇」中，筆者也受邀與台積電、日月光、工研院、美國Cisco及日本愛德萬測試（Advantest）的專家同台，主持人是日月光執行長吳田玉，共同討論矽光子技術在人工智慧（AI）世代中，所能扮演的角色。以下是個人在這個議題中，所表達的看法。眾所周知，矽光子技術已經發展超過20年，主要是利用CMOS成熟製程，將處理光訊號所需的光導管、調變器、光柵、耦合器，甚至光偵測器等主被動元件整合在矽基板上。目前唯一無法整合進矽基板者，是半導體雷射，因為涉及到不同的材料系統，只能以封裝的方法處理。矽光子基板負責將光的訊號轉換為電訊號，此為接收端，發射端就是將電訊號經由雷射轉換為光訊號。由於使用成熟半導體製程，在微小化、集成度、量產的良率，甚至成本都具有優勢。再加上使用光訊號，對比於電訊號，又有著高頻寬、低延遲（low latency）以及低功耗的優勢。自從光纖通訊在1980年代被引進之後，一直擔任訊號傳輸的角色。初期在人類使用數據量還不大的時候，光通訊運用在長距離的傳輸，如海底光纜、大都會地區的網路。隨著數據量的提升，光通訊開始進入區域網路。近來生成式人工智慧（generative AI）的興起，最大的數據產生及傳輸量是發生在AI伺服器之間，因為任何一個大型的模型，都包含數百億個參數，而每次訓練所要花費的算力是驚人的，這些都依賴晶片彼此間的平行運算以及數據交換。拜半導體先進製程之賜，目前處理或計算1個指令，只需要1～2 nsec的時間；但是數據傳輸速度的增幅，卻永遠跟不上算力的增加。光是在光纖內運行1公尺距離會產生5 nsec的延遲，因此AI伺服器的算力有相當的時間在等待數據而停滯。若改用電訊號來傳輸，等待的時間就更久了。解決之道當然就是將轉換光訊號的裝置，愈靠近CPU/GPU/ASIC晶片愈好，以改善訊號延遲，這中間最好避免掉電路板。因此，co-package optics（CPO）包含矽光子基板，便應運而生。CPO目前主力是放在交換器（switch）內，將矽光子基板與處理電訊號IC晶片，以堆疊（stacking）的封裝方式結合，再連接上光纖，比鄰於各式IC處理器，這就是最靠近及最低延遲的選擇方案了。在2000年代中期，IBM在其年度的技術展望（Technology Outlook），特別提出光連結（Optical interconnect）為未來技術的重點。IBM非常自豪於技術上的預測，也表示自己從來沒有預測失敗過，有的只是發生時間的早晚。彼時並不知道會有AI運算的蓬勃發展，也不清楚半導體的技術會進展到3奈米以下。但是很明確的是，人類在數據傳輸的使用量會持續地增加，而矽光子技術將在光連結上扮演重要的角色。當時光連結的提出，也不清楚是會發生在晶片與晶片間（chip to chip）訊號的連結，還是載板之間（board to board）訊號的連結，或者是伺服器架間（rack to rack）的訊號連結。如今伺服器架間的訊號連結，甚至於架上的層與層之間（unit to unit），已經廣泛地採用光連結技術。而晶片之間訊號的連結，已經被台積電的先進封裝技術3DIC/CoWoS/chiplet/fabric，使用電訊號交換給解決了。接下來的重頭戲會是載板之間的訊號連結，目前的主力還是使用電訊號的連接，至於光的連結就拭目以待。CPO結合矽光子技術，提供AI風潮中提升數據傳輸速度的最佳解決方式，這對於產業生態鏈卻是一個巨大的改變。傳統使用插拔（pluggable）光模組的生態系，並不會坐以待斃。在今年（2023）的全球光通訊大會（OFC）上，linear-drive pluggable optics（LPO）即受到廣泛的注意，被視為傳統勢力的一大反撲。Linear-drive的概念是拿掉插拔光模組內re-timer/DSP功能，而增加在ASIC內訊號處理的負擔，如此便減低模塊內的訊號延遲及功耗。因此之故，可以再往前推進1～2個世代的產品，而整個產業生態鏈不會有太大的變化。如同半導體製程所使用的浸潤式DUV微影設備，在不改變DUV曝光機的生態下，又往前推進幾個世代，直到EUV曝光機接手。矽光子CPO的世代終究是會來臨，若LPO順利推展，可能會使發生的時間延後。事實上，linear-drive的概念亦可以使用在CPO上，如此不論在訊號延遲及功耗上，又會有更佳的表現。本文感謝與鄭鴻儒博士的討論。

利用周末時間觀賞剛上映的電影〈奧本海默〉。在當學生的時候，就聽聞過「奧本海默事件」以及在美國的「麥卡錫主義」（McCarthyism），但這次是以奧本海默（J. Robert Oppenheimer）本人為中心，以電影手法完整地交代事件始末，包括二戰期間製作原子彈的「曼哈頓計畫」（Manhattan Project）。在二戰前，整個學術的重心都在歐洲。Oppenheimer在完成哈佛大學學業後，就負笈歐洲，最後在量子力學大師Max Born的指導下完成博士學位。通常博士候選人，都會被口試委員嚴格且鉅細靡遺地拷問，其目的是要讓新科的博士們知道：你的學術生涯才開始，不要太得意。但據聞Oppenheimer的口試很快就結束，其中一位委員說，還好我溜得快，Oppenheimer已經開始質疑口試委員了，由此可見其桀傲不遜的個性。曼哈頓計畫是由愛因斯坦（Albert Einstein）具名，寫信給美國羅斯福總統（Franklin D. Roosevelt），憂心納粹德國已經領先發展毀滅性核分裂武器所衍生而出，並由Oppenheimer擔任製作原子彈的計畫主持人。然而在第一顆原子彈還未試爆完成前，納粹德國就投降了，但日本還在頑強抵抗中。當時科學界開始遊說，希望停止曼哈頓計畫，但接任羅斯福的杜魯門總統（Harry Truman），為了減少美軍在太平洋戰爭的損失，先後丟擲2顆原子彈在日本的廣島與長崎。片中有一段敘述Neil Bohr訪問洛色拉莫士（Los Alamos），帶來納粹德國在發展核子武器的最新訊息，而納粹計畫主持人正是另一位量子力學大師Werner Heisenberg。Heisenberg在核分裂的理論計算上犯了個錯誤，導致納粹原子彈的發展受挫，而他本人在二戰後表示其有意拖延納粹在這方面的進展，但這至今仍是個科學懸案。美國最後能領先納粹德國製作出原子彈，除了Oppenheimer主持的曼哈頓計畫外，另一位關鍵人物是義大利裔的費米（Enrico Fermi）博士。費米博士恐怕是物理學史上，最後一位在理論與實驗都有傑出表現的科學家，就如同棒球場上的二刀流。費米博士在芝加哥大學足球場看台的地下室，建立核子分裂的反應堆。在最後關鍵時刻，他親自核對計算及調整實驗的反應堆，完成了人類第一次能夠控制且持續核子分裂的鏈鎖反應。實驗成功之後，對外所使用的暗語是義大利航海家登上新大陸。芝加哥大學在足球場原址也立了個紀念碑。Oppenheimer最終在戰後因被認定為共產黨的同路人，而被剝奪在原子核領域接觸新知識與發展的權利。影片中的泰勒博士（Edward Teller），被譽為氫彈之父，在曼哈頓計畫與Oppenheimer有不同的意見，執意要發展核融合的氫彈，導致他在戰後Oppenheimer的聽證會上，做出不利於Oppenheimer證詞，而後不見容於學術界。泰勒博士本人在四十多年前，曾受邀訪問台灣，全程由浦大邦博士陪同，訪問全台多所大學。當時我才大三，但有機會與泰勒博士近距離的接觸，並得到簽名及合照，他非常津津樂道與楊振寧教授的師生關係。在當時戰後的芝加哥大學，楊教授原本希望跟費米博士研習實驗物理，因為要建設中國需要實作為基礎，但無奈其動手做實驗的火候不夠，最後泰勒博士說服楊振寧教授跟他做理論的計算。當時，我們曾問泰勒博士在研究過程中，是否會因遭受挫折而產生低潮，他的回答居然是，我從沒經歷過低潮時刻。無獨有偶地，舊蘇聯時期的物理學家Andrei Sakharov，因為從事氫彈的開發，被譽為是蘇聯的氫彈之父。之後他本人開始致力於限制核武器的擴散，成為人權鬥士，卻不見容於蘇聯當局，而長期被軟禁在一小公寓內。他於1975年獲頒諾貝爾和平獎時，蘇聯甚至拒絕他出境領獎。不論是Oppenheimer、Heisenberg以及Sakharov，這幾位參與毀滅性核子武器的科學家，當初都基於愛國情操而參與，最終卻是由政治凌駕一切。Oppenheimer在甘迺迪（John Kennedy）總統時代被平反，而Sakharov在戈巴契夫（Mikhail Gorbachev）當政時也被平反了。但是遲來的正義會是正義嗎?李遠哲院長有次在訪問以色列，晚宴席中他請問鄰座政壇人士，如何解決以色列與巴勒斯坦間的問題？對方回答，你們科學家就只想要解決問題，我們政治人物是要與問題共處的。試想如果問題都解決了，就不存在政治人物了。愛因斯坦在美國使用原子彈結束二戰後接受訪問說，沒想到他們政治人物真的使用原子彈，我寧可去當個修錶匠，內心充滿著無奈。

日前中國政府無預警地宣布，鎵與鍺金屬將採行出口管制。頓時媒體大篇幅報導，尤其著墨於這是中國政府對美、日及歐洲，在半導體上的諸多對中國限制的一項反擊。鎵與鍺都是半導體領域中重要的材料，尤其是中國產量佔全球8成以上的鎵，更具有關鍵的地位。整個供應鏈開始嗅到緊張的氛圍，擔心供貨受到影響。化合物半導體中，砷化鎵（GaAs）、磷化鎵（GaP）及氮化鎵（GaN）都需要使用鎵的金屬，相關的產品則包括5G手機RF功率放大器、寬能隙功率元件、LED及半導體雷射等電子及光電元件，影響所及不可謂之不鉅。鎵對供應鏈的影響可分為2類，其一為基板，另一則是磊晶層。基板的厚度通常在500微米，而磊晶層厚度則在幾十微米，甚至10微米以下。磷化鎵基板使用量較少，而氮化鎵沒有基板，所以在基板的供應上，就以砷化鎵為大宗。日本的住友（Sumitomo）、美國的AXT以及德國的Freiberger，為主要的供應商；3家業者主宰砷化鎵基板全球市場已超過30年，是個穩定且成熟的市場，每年的產值大約3億美元。近10年來中國的紅色供應鏈，已開始進入砷化鎵基板的市場，台灣的晶圓代工及LED廠已有使用，品質及價格都有競爭力。倘若中國開始管制鎵的出口，短期內上述的3家公司會受到些影響，但對整體供應鏈影響不大。中國供應商要擴充砷化鎵基板的產能，並非難事。鎵金屬在磊晶的供應鏈上，中國能發揮的影響力就更弱了。因為幾乎所有相關的磊晶層，都是經由有機金屬化學氣相沉積（MOCVD）來完成，而參與反應的主要化學品為三甲基鎵（Trimethylgallium；TMG），TMG的供應商都來自歐美及日本。若中國管制鎵的出口，首當其衝的會是中國上千台的MOCVD，以及整個化合物半導體產業。談完了鎵，我們來看看氮化鎵的供應鏈。Yole最近的報導指出，中國英諾賽科的氮化鎵元件產值，在2023年第1季首次超越PI、EPC、Navitas等美國為主的元件設計公司，而且英諾賽科是自有的8吋晶圓廠，產品涵蓋高壓及中低壓元件，並以IDM的方式與使用6吋晶圓代工的上述美國公司競爭，高下自然不言而喻。過往晶圓代工廠，為了讓老舊的6吋廠有新的商機，因此引進氮化鎵元件。然而十幾年過去了，6吋廠在良率及成本上，一直無法有效改善，導致現今氮化鎵最大的瓶頸，就是價格過高，市場開拓有限。英諾賽科的商業模式，在初期雖然有相當大的資本投入，但未來的營運是會漸入佳境，我們且拭目以待。氮化鎵是一個卓越非凡的半導體材料，不僅是因為其具有寬能隙特性，還有1項特質是其他種類的半導體所沒有的。一般的半導體，每產生1顆電子，就會伴隨1顆帶正電的離子產生，當我們希望元件內有更多的電子或者電流，正離子就更多，電子會遭遇到更多的散射（scattering），電子遷移率便降低了，最後導致電流增加的有限。氮化鎵元件內的電子，是由晶體的極性（polarization）以及磊晶層之間的應力所造成，因此沒有正離子，所以既使存在很高的電子濃度，電子還能夠維持相當的遷移率。這對於元件的導通電阻及切換速度，都有著顯著的改善，這正是電源轉換系統最重要的兩個特性。個人之前的文章，曾以此兩種特性，對比於矽基板元件。在650V元件，氮化鎵擁有矽元件的10倍優勢；到了100V元件，此優勢降為3倍；30V元件優勢仍然有30%。所以氮化鎵元件應該被廣泛使用於電源轉換系統，然而現今最大的障礙就是成本，氮化鎵的成本要能夠降為一半，就非常有競爭力了。這有賴在供應鏈上使用8吋的晶圓廠，以及增加MOCVD每台的磊晶產能。中國政府對於鎵的出口管制，是經過深思熟慮的決定。一方面可以雄壯威武地回應西方國家及日本的制裁，但另一方面卻不會對產業鏈造成過多負面的影響。畢竟中國對於化合物半導體產業，是有完整的戰略布局。 

2023年6月25日，媒體報導美國德州大學教授John Goodenough過世消息，享壽100歲。第一次注意到Goodenough是在2019年，瑞典皇家科學院宣布該年度諾貝爾化學獎，表彰3位傑出科學家在鋰離子電池研究的貢獻，而Goodenough與來自英國的Stanley Whittingham以及日本的吉野彰，共同獲得此殊榮。首先我注意到的是他的姓氏，他要如何地介紹自己？I am Goodenough？其次是他得獎時已高壽97歲，是歷屆諾貝爾得主中年歲最長的一位。Goodenough在鋰離子電池最基礎的貢獻，完成於1970～80年代，也歷經40餘年才終而獲獎。事實上在諾貝爾獎的歷史中，有人是因為不幸離世而失之交臂。其中最令人扼腕的是在2000年的物理獎，頒給IC的發明人Jack Kirby，而另一位共同發明人Bob Noyce卻已於1990年，在美國德州住家，游泳時心臟病發去世，享年62歲。因此，Kirby在諾貝爾委員會的官方文字記載的是「for his part in the invention of integrated circuit」。鋰離子電池因為鋰是最輕的金屬，且又是在週期表上第一族的元素，有著相當高的電化學反應活性。相較於傳統的鉛酸及鎳氫電池，以鋰離子及電子作為電池內部導通的電池，有著輕量化及高能量密度的優勢，所以廣泛地使用於行動裝置及電動車，甚至於儲能系統。第一個鋰離子電池雛型是由Whittingham於1970年所提出，當時是以鋰金屬作為負極材料，而以金屬硫化物作為正極材料。由於鋰金屬的活性，電池相當容易燃燒爆炸。Goodenough改用金屬氧化物作正極材料，添加鈷、錳等金屬，一方面改善電池安全性，同時也大幅地增加電池能量密度，也就是建立當今最廣泛使用正極三元鎳鈷錳（NCM）材料的原型。日本學者吉野彰的貢獻在於，使用石墨碳作為負極材料，取代鋰金屬，更進一步改善電池安全性，並增加電池充放電的壽命。有了這一連串突破性的發展，Sony於1991年正式推出第一顆商品化的鋰離子電池，從此改變世界。Goodenough是位大器晚成的學者。當他大學畢業時，還被徵召到歐洲參與二戰。之後他進入美國芝加哥大學攻讀固態物理博士，與楊振寧教授是同學，楊教授最近也剛過100歲生日。Goodenough早期在50年代的研究，以過渡金屬磁性氧化物材料為主，應用於磁性記憶元件，包括鐵鈷鎳的各式氧化物。Goodenough是在54歲之後才開始研究電池材料，也因為之前有著無機金屬氧化物的基礎，得以很快地在鋰離子電池的正極材料，做出重大貢獻。在美國大學教授是可以不退休的，Goodenough在90多歲的高齡，依舊活耀於學校的實驗室，並指導學生。他晚期的研究聚焦於全固態電池的開發，也就是用固態材料取代現行的液態電解液。此全固態電池，不僅可以更進一步地增加電池能量密度，電池壽命的延長，同時充電的時間也可以大幅縮短。Goodenough雖然在鋰離子電池上，有著卓越的貢獻，但是終其一生，卻沒有得到任何商業上所衍生的利益。在Goodenough之前，諾貝爾獎最高壽的得主是，獲得2018年物理獎的美國貝爾實驗室 Arthur Ashkin，當年他已經是96歲，因為optical tweezer的發明而獲獎。Ashkin在得獎後，對媒體說他抽不出時間接受採訪，因為他正忙於太陽能的研究。也許就是因為全心投入所喜愛的研究工作，使得這些研究人員得以延年益壽，不知老之將至。 

在Chris Miller所著《晶片戰爭》（CHIP WAR: The Fight for the World’s Most Critical Technology）一書中，多次提到Gordon Moore（1929～2023）與加州理工學院（California Institute of Technology）米德教授（Carver Mead）的互動。在1965年，當Moore還在快捷半導體（Fairchild），手繪出從1959～1965年每一矽晶片中電晶體成長數字，總計只有5點數據，並預測未來成長會依照每1.5～2年以1倍的速度增加。Mead教授當時是快捷半導體的顧問，隨即將此稱之為「摩爾定律」（Moore's Law）。Mead曾回憶，當時他正在研究半導體內電子的量子穿隧效應（tunneling effect），在此事後沒多久Moore就問他，穿隧效應要在很小的尺度才會發生，那電晶體可以做到多小的尺寸？Mead花了些功夫答覆此問題。1968年，Mead提出電晶體尺寸微縮理論（scaling），也就是在MOS電晶體的閘極長度微縮同時，每一電晶體所需耗用的功率是與長度成平方的下降，同時電晶體速度卻等比例增加—即電晶體效能是隨著電晶體閘極長度微縮，而呈現3次方的改善。當Mead在學術會議上，報告MOS微縮理論時，並預測未來1個晶片上可以有上億個電晶體存在，並沒有多少人相信Mead的理論。當時認為在這麼小的尺寸下，光是所產生的熱即足以燒毀整個電晶體。事實證明Mead是對的，Moore's Law橫跨超過50年時間，最主要的基石在於尺寸的微縮，而Mead的理論提供Moore's Law的理論基礎。Mead在1970年代初期，即洞悉未來晶片上可以製作出眾多的電晶體，代表將擁有龐大的算力，其也因此建議英特爾（Intel）高層，發展電腦所需的晶片。不過，如何有自動化的IC設計工具，處理日益複雜的電路設計，成為一個關鍵議題，Mead的研究隨即轉向IC設計。Mead於1970年在加州理工學院開設VLSI課程，在課堂上並將學生所設計的各式IC，用統一的光罩，手刻出布局圖，最後完成矽晶圓的製作。這比國內晶片設計中心對學術界的服務，整整早了20年。Mead與Lynn Conway於1979年合著的Introduction to VLSI System，更是IC設計者手中的聖經。Mead在1970年代初期，即投入Si compiler的研究，這是電路模擬及布局圖自動化的濫觴，造就現在EDA工具的產業。Mead更於1979年提出未來半導體產業，會由多數的IC設計公司（fabless），及較少數目的晶圓廠（foundry）所組成。這與同時期張忠謀先生，在德州儀器（TI）內部所提出foundry概念，不謀而合。筆者在美國求學時，即久仰Mead大名。因為筆者的研究題目是化合物半導體的微波高速元件及積體電路，第一個發明出此類元件（1965年出現的GaAs MESFET）的正是Mead。化合物半導體很難成長出優質的氧化層，不像矽晶圓有高品質的二氧化矽，所以化合物半導體只能利用金屬作為閘極，直接接觸到半導體。此接觸（junction）因為材料不同，衍生很多的介面缺陷，因此電子幾乎無法在通道內（channel）運行。Mead很技巧地利用此接觸所產生的空乏區（depletion），來控制電子數量，也由於電子遠離介面，所以能夠自由地運行。至今我們在無線通訊所使用的高頻元件，其運作方式依舊是使用Mead的原創。Mead在2000年後，又回到基礎物理研究，尤其是量子的電動力學及重力理論。Mead似乎可以在不同的學術領域，來去自如，悠遊自得。Mead於2022年榮獲日本的京都賞，獎金是5,000萬日圓。京都賞是由京瓷（Kyocera）已故創辦人，稻盛和夫於1984年所創立，獎勵全球對於前瞻技術、基礎科學及人文藝術等3個領域有傑出貢獻人士。華裔科學家鄧青雲博士，發明有機發光二極體材料，於2019年獲得京都賞；中國清華大學資訊科學教授姚期智博士，也於2021年獲此殊榮。Mead的學術研究，由基礎的半導體元件，到IC compiler的原創，以至於VLSI設計，對於半導體相關的領域做出重大貢獻，在學術界還無人能出其右。他的洞察力及遠見，更激發整個半導體產業的發展，終究造福大眾。

近期外電及本地媒體大幅報導Tesla宣告將減少電動車中碳化矽（SiC）元件的使用量，並造成了幾家SiC供應商頓時股票大跌，包括Wolfspeed、意法（STM）、安森美（Onsemi）及英飛凌（Infineon）等。接下來隨即即有專家開始討論，Tesla是如何達到減少75%的SiC用量？半導體功率元件跟摩爾定律最大的不同在於，IC每進入一個新的製程節點，面積就會縮小一半，功率元件遠遠做不到。於是就有不同的組合被提出來，包括由原先的平面式（planar）SiC MOS電晶體，改為先進的溝槽式（trench）電晶體；或者因為電動車的電池系統要由400V改為800V，SiC MOS耐壓也要由650V挺進到1200V，由於電流可以減少一半，SiC MOS晶片面積得以等比例減少。但是，再怎麼算也到不了減少75%。最後只得加上馬達所需功率的減少，才勉強可以湊足。可是Tesla同時又宣布，未來馬達設計不使用稀土元素，這使得馬達效率的提升更形困難。Tesla此舉的目的是要降低成本，以建構與其他競爭者的障礙。但不論就使用溝槽式或1200V SiC MOS，的確晶片面積是可以減少，製程卻變複雜，實際成本下降反而有限，再加上這些都是所有競爭對手知道的趨勢，因此這會是個假議題嗎？在提出個人解答之前，筆者想先談一下製造產業的學習曲線。陳良榕先生在友刊的文章中提到，張忠謀在德儀（TI）及台積電，就是利用學習曲線創造出與競爭對手的差距，這在以製造為導向的產業是非常的重要。試想一個資本攤提完成的半導體廠，不僅成本最低，良率最好，同時單位的產出也最多，而新進競爭者，還在學習曲線的初期，是看不到台積電的車尾燈。Tesla現在也是利用所經歷學習曲線的優勢，來創造競爭優勢，而逆變器（inverter）所使用的SiC MOS就是個可以發揮的項目，因為價格不斐。個人的淺見認為，Tesla是使用Si IGBT（insulated-gate bipolar transistor；絕緣柵雙極性電晶體）取代SiC MOS，並使用SiC二極體（Schottky diode），作為IGBT所需的飛輪二極體（freewheeling diode；FWD）。電晶體分為兩類，一為雙極性（bipolar），另一為單極性（unipolar），也就是MOS。雙極性電晶體中電流與電壓之間的關係是指數函數（exponential），而MOS電晶體電流與電壓是1～2次方關係。所以雙極性電晶體在輸出電流驅動的能力是大於MOS，但是雙極性電晶體是靠輸入電流來工作，MOS則依靠絕緣柵極的電壓來動作，故雙極性電晶體比較耗電。IGBT的誕生即結合此二者優勢，在輸入端使用絕緣柵極（insulated-gate），而輸出保留高輸出電流的特性（bipolar）。逆變器主要的應用在於將電池的直流電轉換為三相交流電，用以驅動馬達。電晶體在此是作為電路的開關，MOS因為是對稱的元件結構，可以處理逆向流過的電流。但是IGBT的元件結構不對稱，需要額外並聯1個FWD。以SiC二極體作為FWD，可以大幅提升其效率，同時IGBT的高輸出電流能力，也可以提高逆變器的轉換效率。Tesla在Model 3使用SiC MOS之前，也是使用Si IGBT以及Si FWD，現在只需將Si FWD改為SiC。IGBT的缺點在於操作頻率較低，無法高溫操作，且耐壓不如SiC MOS，但這些在現行電動車系統，皆非嚴重問題。由於二極體電流與電壓的關係也是呈指數函數變化，再加上現行Tesla每一相開關是使用2顆SiC MOS並聯，筆者估計在相同輸出電流條件之下，使用SiC二極體的晶片面積，應該可以是 SiC MOS面積的25%。而二極體是製程最簡單的半導體元件，也最便宜，所以在SiC的費用上可以下降到原先的10～15%。只是還須加上個Si IGBT，因此總成本可為原先的30-40%。Tesla擁有別家車廠沒有的學習曲線，要拉大與競爭者的差距，如果筆者是Elon Musk，選擇Si IGBT加上SiC二極體的排列組合，降低SiC整體用量。