半導體材料開發新典範（一）

現代的半導體產業中，有3個經濟價值成長方式：製程繼續微縮、先進封裝與新材料開發的應用。

製程微縮的研發的參與者數目寥若晨星，先進封裝的參與者稍多，而新材料的開發參與者貫穿整從上游至下游的個半導體價值鍊，成為整個產業的新焦點。 
 
傳統的新材料開發方式，以合成（synthesis）為主，這是老牌材料強國日、德所擅長的。合成法以各式成分原子來組織穩定的化學結構，然後測試其化合物的各種性質—譬如導電性，以及在外來刺激下材料的反應—譬如順磁性（paramagnetism），或抗磁性（diamagnetism）。 
 
合成過程當然非常依賴於知識和經驗，用以縮小搜尋適合特定應用目的的化合物範圍。但是能否發現適合應用目的的化合物也存有很高的機率性，因為搜索的範圍有限，對候選化合物的性質也僅憑臆測，基本上這就是一個試誤的過程。

另外，合成的製程比較像手工藝，過程中的眾多的製程參數及方法過去很多是靠經驗或多批次試驗的結果，有點像匠人工藝，是以過去的材料先進國家能夠維持其材料開發及製造的優勢。 
 
進入21世紀之後，由於計算力的快速提升，傳統的化合物—特別是晶體（crystal）化合物—的開發、性質預測、穩定結構的發現以及製作工藝的優化方法，都產生極大變化，連帶地將改變材料產業的競態勢。 
 
2個領域的進展引發這個典範的轉換：第一原理計算（first principles calculation）和機器學習，不久以後也許還有量子計算，這些都是高度依賴算力的操作。其直接影響將是晶體化合物的各類性質可以精準預測、晶體化合物的製程可以最大程度的優化，以及可能的穩定晶體結構可以徹底搜尋用以建材料資料庫等。這些隨之產生的新能力對於需要新材料來滿足應用需求的使用者當然是夢寐以求的。 
 

第一原理計算，或稱之為ab initio calculation，是指從最基礎的物理理論出發，計算晶體化合物的各種性質，這裡指涉的基礎物理理論一般是指薛汀格方程式（Schrodinger’s equation），但是在電子高速運動時，可能要訴諸更基本的量子電動力學（Quantum Electrodynamics；QED）—相對論版的薛汀格方程式。 

 
雖然從最基礎的物理理論出發，但是現實的世界極為複雜，即使是一個單一原子系統，除了最簡單的氫原子之外，不存在解析解（analytic solution），遑論一般的化合物會牽涉到2個以上的原子核以及數十至於數百個以上的電子，所以某種形式的簡化處理是必要的，而數值計算（numerical calculation）也是不可或缺的。過去這些所遭遇困難的量子力學問題，也是當初驅策Richard Feynman倡議量子電腦的原因之一。 
 
雖然第一原理計算其實早就開始於上世紀70年代，但是一直要到90年代後其準確度才逐漸被學術界－包括物理、化學、材料等領域－所接受。受限於當時的電腦計算能力，還無法直接投入產業真實的應用。 
 
第一原理計算可以用來預測一種特定晶體化合物的各種物理、化學性質，從帶隙（bandgap）、導電性、極化（polarization）、磁性（magnetism）、光學性質等，幾乎無所不包，其中很多性質是半導體產業關注的核心。連現在半導體在奈米尺度製程中最關心的介面性質、缺陷、摻雜等精細結構的敘述，第一原理計算現在都可以給出相當準確的預測。 
 
大概不到10年前，我跟某一晶圓製造公司建議設立一個第一原理計算團隊，理由是可以節省大量工程試驗批（engineering pilot lots）的經費和時間。當時他們的回應只是笑笑，半導體廠要做數值計算物理的人做什麼？現在他們已經有一支不小的第一原理計算團隊了。 

Scaling deep learning for materials discovery .