5G帶動半導體新戰場,氮化鎵能當下一個材料寵兒嗎?要先克服兩大挑戰
5G帶動半導體新戰場,氮化鎵能當下一個材料寵兒嗎?要先克服兩大挑戰

5G時代的到來會對半導體材料掀起怎樣的波瀾?SEMI全球總裁暨執行長Ajit Manocha在今年半導體展的「策略材料高峰論壇」致詞影片中提到,在5G、AI的趨勢下,促使市場都圍繞在「功耗」這件事情上,凸顯了材料的發展將會是接下來半導體的顯學。

尤其在疫情的衝擊下,人類改變了原有的生活作息,居家辦公、遠距教學所帶動的不只是對於相關電子設備的需求大增,也讓雲端產業、資料中心的角色更為重要,回歸到運算的需求,尋找能滿足散熱的材料變成當前課題。

5G來臨,「矽」遇到了什麼問題?

不過原本以「矽(Si)」材料為主的半導體,為什麼遇到了5G時代的到來就必須要轉彎?

「因為矽在電子裡面跑得不夠快、不能做高頻,也不耐高(電)壓,所以不適合做高功率元件,」工研院電子與光電系統研究所所長吳志毅一語道破矽的困境。

工研院 吳志毅所長
吳志毅表示,矽作為目前半導體主要的材料,面對5G的應用也有其物理特性所無法滿足的狀況,但是長遠來看、它依舊是重要的材料,不至於被取代。
圖/ 工研院提供

矽是目前地球上僅次於氧的豐富元素,在過去近60年以來,一直是半導體製作上不可或缺的材料,除了因為容易取得的優勢外,它的機械性夠強、製作上也有不易破的特點,而且基礎建設也相對完整,因此一直是近年來半導體在製作上選擇的材料。

但是5G的時代下,應用場景不少是聚焦在高頻、高壓的應用上,這就使得矽本身的材料特性被受限,也使得半導體產業需要尋找其他的材料,包括砷化鎵、氮化鎵、硫化鋅以及碳化矽等都是熱門人選。吳志毅也指出,目前第二代半導體材料以砷化鎵為主,因為技術上相對純熟,還能製作高頻的元件,但缺點是不耐高電壓。

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目前臉部解鎖因為用到VCSEL(面射型雷射)技術,讓具備可發光、可吸收光等物理特性的砷化鎵成了重要的材料。
圖/ Shutterstock

「現在有不少手機裡面的元件就已經是採用砷化鎵了,」吳志毅說。像是蘋果手機所採用的人臉辨識,因採用VCSEL(面射型雷射)技術,讓具備可發光、可吸收光等物理特性的砷化鎵成了重要的材料。不過市場仍是需要尋找一個能同時滿足「高頻率」、「高功率」的材料,氮化鎵(GaN)變成了熱門選擇。

滿足高頻、高功率,氮化鎵成重要人選

交通大學副校長張翼在「策略材料高峰論壇」演講時也分享到,半導體的新材料上,氮化鎵(GaN)將會是繼矽之後一個重要的材料應用,「因為他用途很廣、技術也相對純熟,」他說。

吳志毅對此補充,目前氮化鎵在LED的應用上已相當廣泛,但是介入電子半導體元件仍非主流,不過狹著能滿足高功率、高頻的需求,已經成為第三代半導體材料的重要選項。

交通大學副校長 張翼
張翼認為,氮化鎵因為技術純熟也能耐得住高溫,在未來新材料的應用上將大有可為,尤其他指出車聯網因為串接的是6G、7G等下個世代的行動通訊網路,會是最佳的應用場景。
圖/ 簡永昌攝影

但目前氮化鎵有2個技術上的難題,其一是以目前生長的基板碳化矽來說,尺寸上尚無法突破6吋晶圓的大小,同時碳化矽的取得成本較高,導致目前既無法大量生產、價格也壓不下來;第二個則是要如何讓氮化鎵能在矽晶圓上面生長、並且擁有高良率,是業界要突破的技術,如果可以克服並運用原有的基礎建設,氮化鎵未來的價格跟產量就能有所改善。

其實氮化鎵能應用的領域不少,包括雷達預警、5G通訊、消費電子、車聯網等等,但張翼認為車聯網將會是氮化鎵等新材料應用場景的重要希望。

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由於車聯網串接的是5G、6G等行動通訊網路,相比智慧型手機而言有更多的機會需要用到高頻、高功率的元件,也因此是氮化鎵未來應用的重要場景。
圖/ Shutterstock

主要因為車聯網連動的不只是5G,甚至是下一代6G、7G等行動通訊網路,因此在頻寬、速度的需求下,氮化鎵因為能夠耐高溫(約200度),成了高速聯網系統的最佳應用材料。至於現在所提到的5G智慧型手機等相關設備,在他看來都還是很初階的討論。

建構在原有的基礎上,台灣要搶下材料的話語權

至於迎接這個未來半導體重要的核心—材料,台灣將面臨到的挑戰究竟是什麼?Ajit Manocha指出,台灣過去10年都是全球半導體材料的消費者,2019年金額更達到113億美元(約合3390億新台幣),結合台灣在半導體產業鏈上的製造、設計等強項,材料在下個世代要如何發展,台灣的半導體產業不得不重視。

張翼也認為,台灣已經建構在相當良好的半導體基礎建設之上,其實只要運用原有架構就能繼續發展,只是相對應的知識(Know How)要有,相關的投資也要對應到正確的領域上,才能把效果放大、加速半導體新材料的應用發展。

責任編輯:錢玉紘

關鍵字: #台積電 #半導體
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【AI時代的成熟決策學】當技術更新越來越快,為何科技領袖反而轉向推崇「基礎系統」的極致穩定與進化?
【AI時代的成熟決策學】當技術更新越來越快,為何科技領袖反而轉向推崇「基礎系統」的極致穩定與進化?

在生成式AI與軟體定義一切的科技浪潮下,「快速更新」成為企業顯學,卻也帶來前所未有的焦慮。當技術以「月」、甚至是「天」為單位被淘汰時,頂尖科技決策者的思維也同步更新。真正決定企業深度與產品生命週期的,並非花俏的表面功能,而是歷經時間考驗、具備彈性與擴充度的「基礎架構」。這種對成熟基礎的信仰,也完美延伸至他們的移動選擇上。

大技術時代的焦慮與解藥!科技決策者如何定義「永續演進的核心架構」?

走進科技園區的玻璃帷幕大樓,或是金融總部的會議室中,科技業高階主管或創業家們正討論著大型語言模型的部署、邊緣運算演算法的優化,以及下一代商業模式的翻轉。在此「軟體定義世界」的時代,企業面臨著極度快速的科技新陳代謝。新技術看似絢麗,但若缺乏強大的系統基礎支援,往往隨時面臨被市場淘汰的風險。

國際知名諮詢機構 McKinsey在最新的全球人工智慧調查中指出:超過72%的全球企業已在至少一個業務功能中部署了生成式AI或軟體自動化。然而,Gartner的科技趨勢報告亦警告:高達85%的企業數位轉型或新技術導入未能達到預期成效,雖然背後有著諸多因素值得探討,但其中不可忽視「過度追逐單一噱頭,忽視基礎架構的穩定性與擴充彈性」此原因。

新技術與演算法看似絢麗,但若缺乏強大的系統基礎支援,往往隨時面臨「過時與崩潰」的風險。

觀察當代頂尖科技領袖與高階決策者的思維演變,會發現他們正在展現一種「成熟的理性」:比起無休止地追逐未經驗證的短期趨勢,他們更看重基礎架構是否具備極高的擴充性、穩定度與縱向深度。因為真正的技術典範,通常不是頻繁更新的應用層面,而是歷經時間考驗、可持續無縫升級的基礎平台。

這種「以成熟基礎應對快速變化」的系統思維,同樣完美體現在當前頂級座駕的選擇面向。

Porsche Cayenne並非橫空出世的新車型,而是保時捷歷經數世代進化與升級後,將造車工藝與數位系統完美融合的成熟結晶。對科技企業家而言,選擇Cayenne絕非隨波逐流,而是對「歷經市場與時間驗證」的技術信仰與價值投射。當外在環境變化越快,聰明的決策者越懂得付出對「經過驗證的基礎技術」的高度信賴。

Porsche Cayenne
Porsche Cayenne 是當代頂尖決策者的終極選擇,以歷經世代淬鍊的極致平台與完美工藝,完美詮釋了「唯有強大且經過時間驗證的成熟基礎,方能輕鬆駕馭快速變化的未來」。
圖/ 數位時代

從科技園區到海岸 解構科技領袖的「多工相容性」

當代科技領袖與創業家的人生,就像是一台高負載運作的高效伺服器。晨間穿梭於內湖科技園區,處於高節奏的商業決策與跨國連線會議;週末則需要迅速切換狀態,帶著家人遠離城市喧囂,前往北海岸享受海景與戶外生活。

Porsche Cayenne
從高負載的商業決策,到週末北海岸的家庭時光,當代科技領袖跨越場景的無縫切換,Porsche Cayenne展現了兼具極致效能與高度彈性的「多工相容性」。
圖/ 數位時代

對應這樣快速的角色切換,他們需要的不僅是一輛功能單一載具,而是一款具備極高「多工相容性」的旗艦移動平台:

日常運作的高相容性: 商務通勤與跨國會議的空檔,Cayenne GTS Coupé舒適豪華的5人座設定與優化的直覺UX數位介面,提供高品質的靜謐空間與尊榮感受。將原本被浪費的交通時間,轉化為高效率的沉澱與充電時刻。

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Porsche Cayenne
Porsche Cayenne 以極致奢華靜謐與瞬時釋放的強悍性能,成為科技領袖無縫切換商務沉澱與駕馭樂趣的旗艦移動平台。
圖/ 數位時代

技術與設計分析 Cayenne GTS Coupé如何以「軟硬體深度整合」詮釋現代工藝?

對於當代科技人而言,絕對最為了解「軟硬體協同」的難度與迷人之處。要讓一台擁有極佳空間的五人座SUV同時兼具跑車的動態極限,背後靠的是極其精密的調校能力。Porsche Cayenne GTS Coupé正是軟硬體深度結合的典範:

動力與動態控制演算法: 搭載500 PS V8雙渦輪增壓引擎,配合PASM主動式懸載調整系統與降低10公釐的主動氣壓懸吊,以毫秒級的微處理速度即時修正阻尼軟硬與動態反應,展現物理極限與演算法調校的完美結合。

Porsche Cayenne
圖/ 數位時代

邊緣感知與智慧光學: 採用HD Matrix高解析度LED頭燈,單側擁有超過32,000像素的微型LED,透過視覺演算法進行即時分區域防眩光與路況動態照明,將前瞻科技轉化為實際的行車安全保障。

Porsche Cayenne
圖/ 數位時代

多模態開放式配置: 除了Cayenne GTS Coupé之外,Cayenne車系提供SUV與Coupé雙車型配置,以及純燃油與E-Hybrid混合動力,宛如極具彈性的開放式架構,滿足科技領袖對客製化規格的偏好。

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Porsche Cayenne
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圖/ 數位時代

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