HHRI/「MORE THAN MOORE」探索新世代半導體創造無限可能

【鴻海研究院】
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半導體是台灣關鍵產業,而車用半導體的研發與應用,更是打造全球電動車生態系的重中之重。做為產業銜接學術界的橋樑,鴻海研究院半導體研究所所長郭浩中表示,半導體所在投入前瞻技術的開發的同時,還有與鴻海集團密切合作,打造「More than Moore」的新世代半導體應用路徑。

圖片來源:AdobeStock

郭浩中表示,半導體所的技術研發,主要聚焦在電動車、次世代通訊跟 AR、VR 等的應用,而大方向主要是呼應中研院院士、鴻海研究院諮詢委員張懋中提出的「best junction for the function」。透過半導體異質整合與奈米光學技術,跳脫過去半導體開發致力於追求尺寸的縮小,致力於整合不同功能,「More than Moore」,在應用方面超越摩爾定律的限制,讓元件發揮最佳效能。

因此半導體所在 2022 年選用光達(LiDar)做為測試場域,光達有三個趨勢,分別是體積要小、安全,還有效能提升;效能不只是看得更快更遠更清楚,並且要具有可靠度。要做到這一點,不只需要把光達微型化,更需要「固態化」,也就是沒有可動部件,讓整體系統更加穩定。

集合眾人之力 開發光達先進光源模組

在這樣的架構下,半導體所與包括陽明交通大學等多家學研單位合作,共同開發出 OPA 光達先進光源模組。郭浩中進一步說明,這個模組需要整合幾個關鍵技術,包括高電子遷移率電晶體(HEMT,High Electron Mobility Transistor)、光子晶體面射型雷射(PCSEL,Photonic Crystal Surface-Emitting Lasers),以及超穎介面(Metasurfaces)。而這個模組也是典型的「三代同堂」,整合不同世代的半導體材料組合而成。

如同大家熟知的,第一代半導體的材料是矽、第二代是砷化鎵 (GaAs)和磷化銦 (InP),第三代則是氮化鎵 (GaN) 和碳化矽 (SiC),又稱為寬能隙半導體,三代各有不同的特色。例如矽有成本優勢,通常拿來做邏輯電路;砷化鎵的光電轉換效率很高,所以用來做雷射能夠發光。而第三代半導體氮化鎵能夠耐高壓高頻跟高溫,適合做功率元件。

郭浩中說明,三個世代的半導體各有不同長處與用途,其實並沒有世代交替的概念,「所以我們等於搭建一個舞台,讓三代同堂,各展所長。」

PCSEL 實現更佳輸出、更高精度

至於光子晶體雷射,簡單來說就是一個特殊排列的奈米結構特殊排列。例如蝴蝶翅膀為什麼是藍的?因為當光打在這個奈米結構上時,只會反射特定的頻譜,而蝴蝶翅膀上的那個結構剛好就是讓藍光反射,所以基本上這是一種仿生結構

所以光子晶體雷射就是取自於大自然的一種結構,嵌入所設計之光子晶體結構於元件中,形成一種具有優異光學特性的雷射,可以讓雷射得到更好的同調性。

郭浩中舉例說明 LED、雷射跟光子晶體雷射的不同,想像一道光束裡,LED 就是很多散亂的光子,像是小朋友們放學走出校門一樣,是散開的。而一般雷射像是行軍的隊伍排隊一起走,看起來整齊多了。

光子晶體雷射的同調性更高,像是儀隊一樣,舉手投足都是整齊劃一的。所以輸出的光點愈來愈小;再加上光子晶體雷射的發散角度很小,讓光達點雲更加細緻,也就是能夠看得更清楚。

最重要的是,一般雷射因為光束發散角度是相對較大,需要一個透鏡組來聚焦;出光的時候還要搭配整形器。但光子晶體雷射不需要搭配其他模組,可以化繁為簡,讓模組更簡單、元件體積更小,有效降低系統的複雜度。

超穎介面 值得期待的破壞式創新

超穎介面則是利用奈米結構來控制光束行進的方式,相較傳統玻璃鏡頭,體積可以達到 50 萬倍的微縮。所以超穎光學是相當令人期待的破壞式創新技術,只要一個極小的光學元件就能取代許多玻璃鏡組。再加上可以兼容於半導體製程,將會對既有產業生態產生很大的影響。

像大家熟悉的手機,以現有的製作流程來看,一般會有感應器和鏡頭,通常那要去半導體廠做感測器、光學廠做鏡頭,再到封裝廠進行封裝,這就是傳統光學模組。但如果採用超穎介面,就可以垂直整合所有流程,全部在半導體廠完成,甚至不需要封裝與接合。

包括蘋果跟很多大廠目前都正在發展相關技術。郭浩中指出,像很多人用 iPhone,為了臉部辨識功能,目前 iPhone 都有俗稱的「瀏海」。如果改用超穎介面,只需要頭髮大小的奈米元件就可投影高精密結構光,手機就可以達到真正的全螢幕。同時,這個技術也能夠應用在 AR、VR 的顯示器上,將成為下一代的重要顯示技術。

郭浩中強調,半導體技術研發精進,必須集眾人之智才能成功,鴻海研究院半導體所在過去兩年積極和陽明交大、UCLA 以及台灣半導體中心合作,不僅發表 35 篇論文並申請多項專利。同時,還透過和集團內鴻揚半導體合作,將研發成果與產品密切結合。展望未來,相信可以在過去多年台灣累積的半導體優勢上,定義下一個世代的創新科技。

全文轉載自鴻海研究院TECH BLOG

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