名家觀點／異質整合…半導體下一個關鍵
2018-07-18 01:46 經濟日報 吳志毅（作者是工研院電光系統所所長）
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。
今年是積體電路（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。
積體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、顯影等製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，過去記憶體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，包括把感測器與非矽材如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3DIC、晶圓級封裝技術、矽光子技數(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。
簡單來說，異質整合技術是希望將各種不同功能的IC晶片，藉由封裝技術或半導體製程，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畫，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。
矽光子計畫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，最後可實現用電來控制光，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，一是上下游供應鏈完整，二是半導體人才眾多。然而，面對傳統晶片的製程極限，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。
特別是人工智慧、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。
