半導體下一個關鍵:異質整合?

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資訊爆炸的速度非常驚人,2015年Twitter每分鐘有10萬條訊息,到2018年時,已經暴增到50萬條。Youtube上面的每分鐘瀏覽量,2015年為130萬,2018年已來到430萬。

  

短短三年,三、四倍以上的資訊暴增量,說明資訊的裝置或載體必須大幅跟上,否則勢必無法滿足由下而上的需求成長。

  

今年是集成電路(IC)發明60周年,過去60年來,裝載著IC的電腦、筆電、手機與網路,讓資訊運算能力大幅提升,也大大改變了人類的生活模式。人類生活模式的改變,特別是溝通與接收訊息方式,又進一步迫使IC運算能力必須相對提升。

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集成電路的發展速度飛快,20多年前,一顆IC的尺寸是1微米,幾乎是現今的100倍,儲存容量相差達萬倍以上。過去,一台電腦幾乎要一個房間才能容納得下,如今,一支小小手機上的晶片功能就已超越過去電腦的運算能力。

  

雖然每隔1~1.5年,半導體晶片功能可強大兩倍的摩爾定律,在未來十年內仍然有效,不過,也有很多人擔心盡頭即將到來。當傳統矽晶片透過曝光、顯影等制程技術而來到極限時,下一步,人類該如何讓半導體晶片功能繼續強大呢?

  

透過異質整合技術的非傳統晶片,成了市場開始思考的解決出路。異質整合,指的是將不同晶片透過封裝或其他技術放在一起,使晶片功能更強大。例如,過去存儲器與中央處理器的晶片是分開的,如今,兩者整合已成為趨勢。不僅如此,包括把傳感器與非矽材如LED或通訊晶片等結合在一起,也是現在半導體產業的熱門方向。

  

早在十年前,工研院就已經投入相關領域的研發,包括3D IC、晶圓級封裝技術、矽光子技術(Silicon Phonotics)、微發光二極體(Micro LED)等,都是半導體異質整合的應用案例。

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簡單來說,異質整合技術是希望將各種不同功能的IC晶片,借由封裝技術或半導體制程,再整合至另外一個矽晶圓、玻璃或其他半導體材料上面。

  

一般說來,異質整合具備兩大優勢:

第一,在進行IC設計時,不需要把所有功能設計在同一個晶片上,可以提高設計開發的效率;

第二,突破矽的物理限制,更能將矽應用到各種不同領域

  

工研院目前正在進行中的矽光子計劃,便屬於典型異質整合例子。由於矽不適合處理光訊號,所以光纖通訊裡面有很多不是使用矽的半導體,而是砷化鎵等材料,這導致矽晶片必須再串連、轉換出去,才能與光纖網路橋接,消耗的電能與運算容量自不在話下。

  

矽光子計劃就是想辦法讓本來在砷化鎵上面做的東西,能夠直接在矽的平台上整合,最後可做到用電來控制光,如此就能降低光纖通訊半導體的製作成本、加快設計速度。

  

很明顯的,異質整合將是下一波半導體發展的關鍵技術,包括美國、日本、中國大陸等都相繼投入此領域。

  

過去,台灣半導體產業具備兩大優勢,一是上下遊供應鏈完整,二是半導體人才眾多。然而,面對傳統晶片的制程極限,台灣業者必須力求創新突破,才能持續在未來半導體市場上保有競爭優勢。

  

特別是人工智能、自動駕駛、5G等新興科技正驅動資訊處理量持續成長,台灣半導體產業唯有掌握下世代半導體異質整合新技術,才能讓產業成功轉型升級並再創高峰。

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