〈工業技術與資訊〉SEMICON TAIWAN展示尖端黑科技

氮化鎵射頻高電子遷移率電晶體。(圖:工業技術與資訊月刊)
氮化鎵射頻高電子遷移率電晶體。(圖:工業技術與資訊月刊)

撰文/張玉圓

看 3D 影像不必戴眼鏡!世界最快讀寫速度磁性記憶體陣列!這些令人驚嘆的世界級黑科技,都出現在年度半導體產業盛會「2022 SEMICON Taiwan」裡。經濟部技術處今年在展中設置科技專案成果主題館,展示由工研院開發的 33 項創新技術,呈現從半導體上游材料到下游終端應用的豐碩研發成果。

疫後數位轉型趨勢下,世界半導體貿易統計協會(WSTS)預估,全球半導體市場今年仍將出現 13.9% 的成長,規模達 6,332.38 億美元。而臺灣半導體產業則是驅動全球經濟發展的引擎,2021 年產值達新臺幣 4.1 兆元,居全球第二。半導體盛會「2022 SEMICON Taiwan」反應半導體市況,吸引全球 700 多家廠商,共 2,450 個攤位展出,展出規模歷來最大。

經濟部技術處 SEMICON Taiwan 科技專案成果主題館於 9 月 14 日在「2022 SEMICON Taiwan」正式登場,展出 33 項創新技術。圖中貴賓由左起為工研院量測中心副執行長陳炤彰、工研院電光所所長張世杰、經濟部技術處處長邱求慧、行政院副院長沈榮津、立陶宛經濟暨創新部政次 Karolis Žemaitis、工業局局長連錦漳、金屬中心代執行長林志隆、駐立陶宛經濟組組長廖浩志。
經濟部技術處 SEMICON Taiwan 科技專案成果主題館於 9 月 14 日在「2022 SEMICON Taiwan」正式登場,展出 33 項創新技術。圖中貴賓由左起為工研院量測中心副執行長陳炤彰、工研院電光所所長張世杰、經濟部技術處處長邱求慧、行政院副院長沈榮津、立陶宛經濟暨創新部政次 Karolis Žemaitis、工業局局長連錦漳、金屬中心代執行長林志隆、駐立陶宛經濟組組長廖浩志。
科專成果主題館 兩快一準最具特色

經濟部技術處在「2022 SEMICON Taiwan」中打造科專成果主題館,經濟部技術處長邱求慧表示,今年在 SEMICON Taiwan 發表的技術有「兩快一準」特色。第一是「速度最快」,工研院建立國內唯一 SOT MRAM 陣列晶片技術平台,攜手國內半導體大廠發展 MRAM 技術,完成世界最快的 SOT-MRAM(Spin Orbit Torque Magnetoresistive Random Access Memory)陣列晶片,效能領先韓國大廠 20%,加速產業躋身下世代記憶體技術領先群。

第二是「充電最快」,工研院研發的「充電樁與車載充電器用碳化矽功率模組」,可實現高電壓低電流的 800V 快充,比 400V 系統減少一半的充電時間。第三是「製程量測最精準」,工研院新創團隊 NanoSeeX 開發以 X 光為基礎,穿透多層環繞閘極(Gate-all-around;GAA)結構,可量測奈米尺寸的三維複雜結構,協助業者進行 2 奈米的精微挑戰,量測時間縮短 60%,協助業界搶占數十億美元的半導體量測設備商機。

此外,主題館中「全球首創即時裸視 3D 服務系統」也非常吸睛,該技術無須特殊拍攝工具,也不需要特定顯示設備,都能把 2D 影像轉為 3D 成像。工研院電子與光電系統研究所所長張世杰指出,因應元宇宙與半導體異質整合趨勢,經發展出全新的跨產業鏈商機,工研院在經濟部技術處支持下,協助許多廠商成功將既有技術進行虛實整合與數位轉型,跨領域整合不同創新應用進行落地驗證。

「2022 SEMICON Taiwan」科專成果主題館的重要亮眼技術如下:

即時裸視 3D 服務系統 Live 直播宛如親臨

智慧展演及網紅經濟當道,視覺影像的嶄新呈現已成為兵家必爭。工研院投入裸視 3D 技術開發,將一般的 2D 影像串流以幾近零時差方式,即時轉換為 3D 成像,打造出全球首創可直播、即時合成、無須任何穿戴裝置即可觀賞的 3D 顯示方案。此一技術藉由人眼的錯視效果,進行虛實疊合,前景(人物或物件)為實體、背景為虛擬,透過 AI 軟體去背,將前景轉為 3D,再與虛擬背景融合成像,運算過程 1 秒完成,適合用於真人 Live 直播的遠距互動,例如新產品發表、國際展會的異地洽商、廣告看板、遠距投影會議等。

目前市面上的 3D 顯示,分為裸視及穿戴 3D 眼鏡兩大類,前者須預先製作 3D 影片,無法做到即時互動;後者則受限於需穿戴裝置較為不便。另有全息投影技術,如電影院的 3D 影片,不僅無法創造栩栩如生的 3D 效果,造價還相當昂貴。

工研院的「即時裸視 3D 服務系統」,僅以手機即可進行錄影或直播,從 2D 影像立刻轉為 3D,易於傳輸;若再投放於直角型顯示平面,立體效果將更為突顯,前景的主角或物體彷彿跳出視框,與觀眾拉近距離。此一技術一般行動裝置即可拍攝,無須特殊顯示器就能呈現,使用門檻低,應用於網紅直播,可增加互動;用於戶外廣告,可在建物轉角處呈現出立體效果,未來可望導入觀光行銷及國際會展等,商用潛力可期。

即時裸視 3D 服務系統。
即時裸視 3D 服務系統。
新興磁性記憶體技術平台 AI、車用深具潛力

半導體製程不斷微縮,記憶體體積也須相應縮小,帶動磁性記憶體(MRAM)的發展。工研院打造國內首個磁性記憶體驗證及試量產平台,與半導體領導廠商攜手,開發第三代 SOT-MRAM 陣列晶片,可與 22 奈米以下製程整合,並具 0.4 奈秒高速寫入、7 兆次讀寫的高耐受度,以及逾 10 年的資料儲存能力。其存取速度媲美靜態隨機存取記憶體(SRAM),更兼具快閃記憶體的非揮發性。首獲美國國防部出資合作開發下一代磁性記憶體技術,在 AI 人工智慧、車用電子、高效能運算晶片等領域相當有市場應用潛力。

工研院指出,MRAM 讀寫速度快、體積微縮至奈米等級、斷電後資料仍能保留、功耗降低且壽命更長,這些特性都是傳統記憶體所做不到的,因而成為下世代記憶體與運算的明日之星,尤其適用於嵌入式記憶體的新興領域。

以動態隨機存取記憶體(DRAM)為例,須獨立於 CPU 之外,且電源關閉資料即消失;靜態隨機存取記憶體(SRAM)雖然速度最快,但須用掉大面積晶片,兩者相對 MRAM 都有不足之處。工研院開發的 MRAM,已從第二代的 STT-MRAM 進展到第三代的 SOT-MRAM,高速陣列晶片技術領先,並已布局全球專利,可望成為臺灣邁向新世代記憶體時代的開路先鋒。

新興磁性記憶體技術平台。
新興磁性記憶體技術平台。
充電樁與車載充電器用碳化矽功率模組 開創電動車新商機

全球綠能浪潮下,電動車快速普及,對於電力轉換系統的要求也更加嚴苛,其中影響效能的最大關鍵,就是功率模組,以往多採用矽(Si)基絕緣閘極雙極性電晶體(IGBT)方案,但隨著電網整合及充電品質的要求,為提升效能、縮小體積,市場開始導入碳化矽(SiC)材料開發的功率模組,主要就是看重其耐高壓、適用高頻操作的特性。

工研院開發的充電樁及車載充電器用 SiC 功率模組,實現高電壓低電流的 800V 快充,不僅較傳統矽基 IGBT 的充電速度更快,充電時間減少一半,另在相同電流下,其熱阻值較國際大廠方案改善 20%,因而可減少系統散熱設計,讓模組體積更輕巧,符合電動車輕量化要求,有助提升車輛的續航力。

工研院指出,自從國際電動車大廠導入 SiC 功率元件後,寬能隙半導體在車用領域便展現龐大潛力,工研院長期投入 SiC 的研發與應用,與半導體領導廠商合作,從最上游的材料、磊晶、元件設計、封裝到終端模組,均已展現成果。除了此次展示的充電樁及車用充電器,也另開發出更大功率的解決方案,例如電動車馬達驅控、再生能源的大電力轉換系統(Power Conversion System;PCS)等,都是預期 SiC 可大展身手的利基市場,工研院可協助國內業者搶先布局,爭取電動車產業鏈的新商機。

充電樁與車載充電器用碳化矽功率模組。
充電樁與車載充電器用碳化矽功率模組。
氮化鎵射頻高電子遷移率電晶體 布局下世代通訊應用

5G 通訊雖已在各國導入,但目前仍以 6GHz 以下(Sub-6)的低頻段為主,主因就是 28GHz 以上的高頻通訊,因訊號衰減嚴重,基地台必須大規模布建,導致成本大增,影響電信營運商布建意願。射頻元件攸關訊號傳輸品質,是高頻通訊的勝出關鍵,全球研發機構均投入相關研發,尋找最適材料與元件設計的整合,現階段以碳化矽基氮化鎵元件(GaN on SiC)效能最佳,可惜因 SiC 基板成本過高,現僅應用於軍事及特定市場如軌道工業等,在通訊領域一直未能普及。

為布局 B5G(Beyond 5G)/6G 下世代應用,須借重寬能隙半導體的高頻特性。工研院開發出氮化鎵(GaN)射頻高電子遷移率電晶體,與日本晶圓廠合作,在矽基板上長出一層薄薄的 SiC 層之後,再於其上進行 GaN 高頻元件的設計。此一方案兼顧效能與成本,具備高頻率、低功耗、高功率的特性,特別適用於射頻(RF)領域,如無線通訊射頻設備、軍用雷達、光達等。

工研院指出,目前 5G 毫米波尚不普及,除了建置成本高,也是因為市面上既有方案的散熱及能耗不盡理想,工研院此一研發成果,針對 B5G 乃至於 6G 市場,在頻率、效能、良率上均可改善,還可帶動成本下降,未來若能快速導入行動裝置及基地台,有助於實現 5G 毫米波 28GHz 以上的高頻商用,搶先布局 6G 市場。對臺灣既有的通訊元件供應鏈廠商而言,該技術能協助他們掌握高頻通訊的先機,並結合已有堅實基礎的半導體產業投入量產,讓產業在下世代通訊中大放異彩。

轉載自《工業技術與資訊》月刊第 367 期 2022 年 10 月號,未經授權不得轉載。


《工業技術與資訊》月刊 | 《工業技術與資訊》月刊

《工業技術與資訊》月刊,現為工研院發行之全院性對外出版品,刊物發行於1991年,目前每期發行數量約為6,000份;對象含括全國具研發單位的中小企業、立法委員、政府官員、媒體等。

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