半導體跟超導體結合，會產生什麼特性？

三層電路貼在皮膚上，延展度 800%！這款「電子刺青」還能控制機器手

作者 雷鋒網 | 發布日期 2021 年 02 月 12 日 0:00 |

聽過「電子紋身」（Electronic Tattoo）嗎？早在 2013 年，Motorola 高級副總裁 Regina Dugan 就曾拿出看似普通紋身貼紙的產品。Regina Dugan 表示這款電子紋身是行動式智慧設備，可惜並未多展示充滿未來感的那面。

2016 年 YouTube 一支影片，幾位生物駭客展示將電子設備植入皮下的過程──設備差不多硬幣大小，由一個印刷電路板、5 個表面貼裝發光二極管（SMD LED）組成，由矽膠包裹，一塊 3 伏特電池供電。

設備植入並受磁鐵觸發後，LED 燈會發光，皮膚會出現一朵梅花。

如果你覺得電子紋身只是廠商炒概念、科學怪人開腦洞，那就錯了。

2018 年，美國卡內基美隆大學的科學家就將電子紋身寫進論文，用液態金屬合金塗覆銀奈米顆粒，兩者融合後形成電路，經過印刷，紋身就可輕鬆轉移到皮膚，且導電性也很高。

當時參與研究的卡內基美隆大學助理教授 Carmel Majidi 表示：這是電子印刷領域的突破。

就在最近，中國科學家也聯合打造出電子紋身。

2021 年 1 月 13 日，論文發表於《科學》雜誌子刊《科學─進展》，題為「Multilayered electronic transfer tattoo that can enable the crease amplification effect」（可實現摺痕放大效果的多層電子傳遞紋身）。

論文作者來自南方科技大學（深圳灣實驗室生物醫學工程研究所）、首都醫科大學生物醫學工程學院及中國科學院大學國家奈米科學技術中心。

什麼是「電子紋身」？

看過前文，大概能對電子紋身下個定義：「能直接貼在皮膚上的超薄電路」。電子紋身可隨著皮膚狀態任意拉伸彎曲，可說是穿戴式設備的最高境界了。運作原理是 NFC（Near Field Communication，近距離無線通訊），能讓設備靠近時交換數據的技術。

NFC 是在 RFID（無線射頻身分辨識）技術的基礎上結合無線連接技術研發而成，日常場景也為各類電子產品提供安全快捷的通訊支援。行動支付、文件傳輸、門禁、手機與車鑰匙集合的背後，都離不開 NFC──轉到電子紋身，NFC 可確保訊號傳遞。

其實電子紋身有很多用途，如耳機、無線收發器、電源、噪音檢測器、測謊儀等等。作者也提到：「電子紋身在皮膚健康和運動感測有很大潛力。」

然而電子紋身目前問題是：固形性、黏性和多層性等特性不能並存，是研究人員設計新型電子紋身的起因。

多層電子傳遞紋身

研究人員設計出「多層電子傳遞紋身」，即 multilayered electronic transfer tattoo（下稱 METT）。

為了組成多層電路模板，科學家用到兩種材料，一是金屬聚合物導體（metal-polymer conductors），二是彈性體嵌段共聚物（elastomeric block copolymer）。

METT 共有 3 層：

黏合層（adhesive layer）：很薄（~8μm）的壓敏膠，受外部壓力時，黏合層使 METT 與皮膚緊密附著。

釋放層（release layer）：矽酮膜，主要目的是便於電路模板從釋放膜剝離。

兩者間的電路模組：含 3 層電路，每層都嵌有可拉伸導體的聚苯乙烯─丁二烯─苯乙烯（SBS）薄膜（~14μm）。

第一、二層電路上有應變感測器，數量分別為 11 和 4，第三層電路上有一個加熱器。

由於金屬─聚合物導體（metal-polymer conductor）有良好延展、可重複性，因此可用作應變感測器。

如下圖 A、B 所示，基於金屬─聚合物導體的應變感測器電阻，隨著拉伸應變增加而增加，METT 甚至可容易拉伸到 800%，遠遠超過皮膚最大變形度。

METT 可用於溫度調節、運動監測和機器人遠端控制，具高延展性（800%）、固形性和黏性，可做到摺痕放大效果，因而能將聚集應變感測器的輸出訊號放大 3 倍。事實證明，無需任何溶劑或加熱，METT 就能在不同表面牢牢附著。

遠端控制機器手臂

不僅如此，為了展示新型電子紋身的可擴展性，科學家更製造出 7 層 METT，當成可拉伸加熱器。

上圖 A 是 7 層加熱器俯視圖，每個電路層都包含一個基於金屬─聚合物導體的加熱器，兩端有 2 個連接點，用於與其他層加熱器形成垂直電連接。因此，7 個加熱器就以串聯方式連接電源。

上圖 B 展示不同層基於金屬─聚合物導體的加熱器，透過連接點形成的電連接。

論文介紹，除連接點外，金屬─聚合物導體透過 SBS 形成良好電絕緣，熱成像時未發現短路。研究結論之一是，隨著層數增加，紋身的順應性隨厚度增加而降低，兩層電子紋身足以滿足大多數功能。

科學家將 METT 實際應用──透過手指彎曲發出的訊號放大，透過藍牙傳輸到機器手臂，因此 METT 能遠端控制機器手臂，模仿人手動作時也不會出現異常震動。

論文表示，團隊已透過 2 層 METT 做到以 6 個自由度遠端控制機器手，透過 3 層 METT 以 15 個自由度遠端控制機器手。

可肯定的是，未來電子紋身在醫療、VR 和可穿戴式機器人方面有巨大潛力。

附圖：▲ 蘋果手機上的 NFC 功能。
▲ 科學家測試 METT 應變感測器的機電性能。

資料來源：https://technews.tw/2021/02/12/multilayered-electronic-transfer-tattoo/

決定台灣未來的SiC、GaN
2021/1/11(一)大家早，我是 LEO
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■ 什麼是SiC 及GaN
碳化矽（SiC）、氮化鎵（GaN）現在全世界矚目的焦點，全新的第三代半導體材料，相較於第一代半導體材料的矽（Si）、第二代半導體材料的砷化鎵（GaAs）相比，承受更高電壓，電流更快通過，具有低耗能等優點，兩者都被稱為未來半導體界的明日之星。
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也許有些人還不知道什麼是半導體，一般的材料導電或不導電(絕緣)分成導體與非導體(絕緣體)，半導體它厲害的地方在於，將它施加電壓時就會導電、不施加電壓時就會絕緣-不導電，導電與否的能力就是由材料的傳導性質所決定，光是這個發現就得了一個物理諾貝爾獎。
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碳化矽、氮化鎵兩者都是未來半導體的關鍵材料，節能減碳的趨勢，各種未來的新興產業，快速充電、車用LiDAR、資料中心、無線充電、電動車、太陽能發電、直流電網、充電樁…等應用都需要高轉換效率的功率半導體。
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■ 寬能隙半導體
為什麼碳化矽（SiC）、氮化鎵（GaN）被稱為「寬能隙半導體」，因為它的能隙是Si的三倍多，崩潰電場是Si十倍多，能隙(bandgap)決定了半導體的崩潰電場，就是能承受住多大的電壓，能隙越寬，越能耐高電壓、高電流、高能源轉換效率，矽的能隙寬約是1.17 eV，SiC的能隙寬為3.26 eV，GaN的為3.5eV。
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兩者相比氮化鎵能隙更寬，電子遷移率更高，但熱導率卻更低，耐輻射性能也更優異，被認為更有機會實現低導通電阻、高開關速度的材料。
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■ 全世界競相押寶發展
日本是全球第一個研發氮化鎵的國家，去年10月日本經濟產業省傳出全力發展氮化鎵，5年內撥款90兆日圓 (約25.2兆台幣)，動用國家隊力量，資助研發氮化鎵的大學與企業。
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但是，目前碳化矽發展比氮化鎵更成熟，市場研究機構Yole Developpement估計，到2025年SiC元件市場營收將佔據整體電力電子市場的10%以上，同時GaN元件的營收比例則會超過2%。
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SiC元件的知名供應商包括意法半導體(ST)、Cree/Wolfspeed、羅姆(Rohm)、英飛凌(Infineon)、安森美(OnSemi)以及三菱(Mitsubishi Electric)，GaN元件的主要供應商，包括PI (Power Integrations)與英飛凌，還有新創公司Navitas Semiconductor、Efficient Power Conversion (EPC)、GaN Systems與Transphorm。
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■ 領頭羊科銳Cree的決心
目前全球SiC龍頭Cree美商科銳，過去30年原本是 LED的領導廠商，全球排名第三，2018年起轉型發展第三代半導體碳化矽材料，並出售LED賺錢業務，下定決心，立志在成為碳化矽(SiC)與氮化鎵(GaN)元件領域的強權，2018年EPS -2.81元，2019年 -3.62元，2020年 -1.78元，跨入SiC後大量資本資出，甚至虧損累累，但是最近一年卻飆漲 137%，股價更飆上121.67美元，創歷史新高。
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由此可見市場現在高度期待的是未來電動車、5G、軌道交通、電網、太陽能的廣泛應用，甚至有朝一日全面取代矽基半導體，試想虧錢就飆成這樣，如果開始獲利，股價可能會漲到外太空。
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目前SiC元件最成功的市場領域在電動/混合動力車市場，GaN元件應用於高階智慧型手機的快速充電應用，將成為未來五年的成長主力，Tesla Model 3就採用意法半導體(STM)的SiC半導體模組。
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■ 台灣半導體射月計畫
不管是日本、美國、歐洲、甚至中國都全力發展第三代半導體材料並列入145計畫，除了電動車、節能應用，SiC跟國防、航太有都關係，Si元件工作溫度上限是攝氏100度，SiC可以到200度，特殊設計可以到300度。
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SiC抗輻射，可應用在核電廠，NASA也應用在太空科技上，這種技術國外不可能轉給台灣，政府要求工研院投入研發，成功後把技術和人才完全移轉給漢磊與嘉晶，因為當時只有他們率先投入，這就是台灣的半導體射月計畫。
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■ 漢磊、嘉晶佈局最早
經過8年多的耕耘、著墨最深，領先其他廠商，嘉晶(3016)是國內唯一有能力量產4吋、6吋碳化矽磊晶及6吋氮化鎵磊晶的公司，擁有磊晶專利技術，品質也獲得國際IDM大廠認可。6吋碳化矽晶圓已在試產階段，客戶端電動車需求最大，只要通過驗證，就開始出貨、貢獻營收。
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漢磊(3707)，它的650伏特高壓氮化鎵已經通過電動車的車用標準認證，並且開始逐漸導入，吸引國外與台灣多家電動車相關業者洽談合作，未來電動車對SiC、GaN有很高的需求，就連環球晶董座徐秀蘭也表示：估計未來十年內第三代半導體，複合成長率不會輸給現有矽晶圓。
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國際IDM大廠英飛凌、瑞薩、意法半導體，車用營收占比明顯攀升，禁售其柴油車的趨勢就在眼前，國際IDM廠庫存降低，委外代工將更為明顯，甚至漲價，營運動能一路旺至今年上半年，漢磊及嘉晶將優先受惠！
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此外，中美晶（5483）投資35億元，入主砷化鎵晶圓代工廠宏捷科（8086），投入氮化鎵的製程開發，期望能達成互補效應，發展潛力也值得關注。
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