半導體研究所從材料到光學技術突圍 聚焦AI應用核心支柱

面對AI時代高速運算與資料爆炸所帶來的挑戰，鴻海研究院半導體研究所所長郭浩中表示，化合物半導體、矽光子、奈米光學三大技術，將為AI資料中心提供關鍵的節能技術支援，是AI時代不可或缺的前瞻布局，而無論是突破性的氧化鎵半導體研發、矽光子晶片的高速傳輸應用，或是深度感測與空間運算的創新成果，均展現出臺灣在先進半導體與智慧感測領域的實力。

躍進第四代化合物半導體

相較於傳統矽材料，碳化矽、氮化鎵等化合物半導體具備「寬能隙」特性，能承受更高電壓與溫度，適用於高功率電子元件。其能隙約為矽的3倍，電子較不易亂竄，可大幅減少漏電、提升安全性與能源效率。

而漏電降低也代表能量損耗下降，得以承受更高電壓與電流輸出並減少熱能產生，整體能耗損失可降低逾75％，散熱效能更是矽的3倍。

化合物半導體最初應用於電動車領域，特斯拉在2017年即率先導入。隨著AI、綠能、機器人、無人機等產業崛起，強調續航與節能的應用場景日增，化合物半導體也成為關鍵材料；尤其，在AI伺服器中的LLC電路導入化合物半導體，轉換效率可達97％～98％。

2024年8月，鴻海研究院半導體研究所與陽明交通大學團隊合作，首度在氧化鎵上實現P型離子布植與快速熱退火，並成功磊晶N型、N+型區域，形成高品質同質結構，製作高性能的氧化鎵PN二極體，在第四代化合物半導體氧化鎵技術取得重大突破，研究成果發表在頂級期刊《今日材料進展》 （Materials Today Advances ）。

氧化鎵具有4.8eV超寬能隙與8MV／cm的擊穿場強，性能比矽、碳化矽、氮化鎵更優越，被視為高壓、高溫、高頻率應用的關鍵材料。目前全球以日本、美國、中國大陸為氧化鎵技術領先國家，臺灣則透過此次合作強力追趕，為臺灣在全球先進半導體產業中強化競爭力。

矽光子技術突破傳輸瓶頸

同樣是為了解決AI和資料中心快速發展之下，高速資料傳輸和高頻寬需求面臨的瓶頸，鴻海研究院也投入矽光子晶片的研發。

傳統光學系統不僅體積龐大，而且由許多獨立元件組成，矽光子技術則可把這些光學功能整合到微小的矽基晶片上，實現高度積體化。

進入AI時代，對算力、資料吞吐量的需求呈爆炸式成長，對頻寬、資料傳輸速率的要求也變高，使傳統電訊號傳輸面臨挑戰，必須轉向光訊號傳輸。

然而，晶片已大幅微縮，難以在旁放置龐大的光學系統進行處理，光學元件積體化需求應運而生。

透過關鍵元件設計，鴻海研究院團隊實現了光學元件積體化，包括：高速調變器，成為提升單通道速度的關鍵元件；高速光電探測器（PD）整合在晶片上，解決光訊號接收後必須轉回電訊號的問題；以及超穎介面技術，把光束偏折器中的超穎透鏡，整合到矽光子晶片中。

矽光子晶片在平行運算時，可提升單通道速度、遠距離傳輸能力，把電訊號轉為光訊號，透過光纖進行長距離、低損耗的傳輸，解決過往「電訊號走不遠」的問題，更可將複雜的光學元件整合在單一元件上，透過增加波長實現多通道傳輸，進一步提升總頻寬。

然而，矽光子晶片在追求極致微縮、高速傳輸的同時，也面臨多重挑戰，異質整合的複雜性便是其一。製造矽光子晶片時，必須把不同材料、尺度的元件整合在一起，是極大的工程挑戰；同時，把大量元件高度整合到極小空間內，會產生極大熱量，如何有效微縮、確保晶片穩定運行，也是研發必須克服的關鍵難題。

製程和量測也十分艱巨。例如，一次晶片投片的成本高達數百萬元，而且從設計到回片驗證週期長達半年至一年，加上200Gbps以上的高頻量測需要新世代的精密設備，但臺灣具備這種量測能力的單位卻不多，使得矽光子晶片就算能設計，也可能面臨無法驗證的窘境。

不過，「團隊設計、投片速度相當快，短短半年內就讓晶片回片，」郭浩中表示，儘管挑戰重重，鴻海研究院的矽光子晶片研發仍取得顯著進展，而且也在臺灣建立少數能進行200Gbps量測的實驗室，使團隊研究成果甚至在某些層面已經超越國際。

精準光控，展現微型化潛力

除了氧化鎵材料、矽光子技術的重大突破，鴻海研究院半導體所與陽明交大合作團隊在2024年也開發出「新穎深度感測與臉部識別系統」。研究成果登上國際頂尖期刊《奈米快訊》（Nano Letters）封面焦點議題，更獲美國化學學會（American Chemical Society, ACS）選為2024年2月的焦點研究，並進行專訪；此外，該研究也在2024年I-Zone全國創新智慧顯示專區榮獲「工研創新獎」。

這項技術的核心是「深度感測」，也就是判斷物體與攝影鏡頭之間的距離，其運作原理是透過偵測光點變化，重建空間中物體的形狀與距離。最為人所知的應用，是蘋果iPhone手機的「Face ID」臉部辨識技術 藉由上萬個紅外線光點，建立使用者臉部的3D輪廓。

而鴻海研究院與陽明交大的研究則進一步突破，透過「超穎介面」技術，在超薄膜表面設計、調控奈米結構，藉以精準控制光線方向與聚焦。這類功能以往必須依賴體積龐大的鏡片才能實現，如今卻可整合至微小晶片中，大幅縮小光學模組體積，具備高度客製與整合潛力。

同時，這項新技術不僅使用更多光點、視野更廣，讓感測空間資訊更完整，還大幅縮小元件體積，從iPhone中約1公分大小的光學模組，縮小到僅約三根頭髮寬度的微型晶片，展現極高的微型化潛力。

除此之外，該技術採用的「光子晶體面射型雷射」與單目立體視覺架構，使其得以簡化未來電子裝置的製程，實現「單石整合」。以手機鏡頭為例，以往必須分別製作多片鏡片與感測晶片，再封裝組裝，如今則可藉由此項技術，將光學元件直接製作在晶片上，大幅提升效率與可靠度。

推進空間運算的新引擎

「新穎深度感測與臉部識別系統」也被視為推進「空間運算」技術的重要突破。以Apple Vision Pro為例，其強調的「空間運算」，便是仰賴即時、準確獲取周遭環境的深度資訊。

而鴻海研究院與陽明交大團隊開發的這項技術，也為未來如AR／VR設備、無人機、智慧車載系統等深度感測應用打下扎實基礎。

例如，Apple Vision Pro內置多達6個感測器，但這項技術輕薄短小的特性，可讓AR／VR設備體積進一步縮小，減少穿戴負擔，也可有效提升裝置的電池續航力。

至於無人機，若有50台至100台在空中協同作業的精確點對點溝通需求，此技術便可提供更高效的通訊方式，原因是無人機對可搭載的元件體積、續航力均有嚴格限制，而這項技術的特性便恰好得以提升無人機的續航力和載重能力。

這項從硬體元件本質進行改善的技術，被視為次世代的功能性光源，可從最底層優化元件性能，大幅降低後端軟體處理所需要的負載，進而實現更高的辨識效果和光通訊性能。