半導體研究所 深化積體化與新材料優勢
重塑次世代半導體規格

隨著全球AI運算需求呈倍數成長，電動車、再生能源電網普及，半導體技術的創新不再僅是效能堆疊，更是系統整合與能源效率的突破。2025年，鴻海研究院半導體研究所（簡稱半導體所）於高速矽光子、高壓碳化矽、奈米光子積體電路三大領域，取得大幅進展。

矽光子技術建構AI時代光速路網

在AI伺服器對頻寬需求爆炸性成長的今日，傳統的電訊號傳輸已面臨物理極限。當單通道電傳輸超過100Gbps後，訊號損耗與干擾會導致通訊距離大幅縮短，甚至無法精準判讀，而矽光子（silicon photonics）技術正是將電訊號轉化為光訊號進行高效傳輸的關鍵。

對於矽光子晶片，「設計得出晶片」、「能量產晶片」與「檢測驗證晶片」，是構建矽光子技術的三大主題。在開發節奏上，半導體所加強與模擬軟體廠以及半導體廠合作，使得自研設計的矽光子晶片得以完成。半導體所已於2025年採用「多專案晶圓」模式進行首版驗證，即讓多家設計者共享一片晶圓面積，大幅降低開發成本至整片晶圓成本的10％。

此外，半導體所在2025年建立支援112GBaud（224Gb/s四階脈衝振幅調變［PAM4］）等級的光電量測平台。在高速傳輸中，單通道達到200Gbps以上是極高門檻，涉及電轉光、光傳輸及遠端再光轉電的複雜轉換過程，但該平台能針對PAM4格式進行精準驗證，解決訊號失真與補償問題。

此平台的建立，讓研究團隊能即時透過實測數據微調晶片設計演算法，縮短設計和生產間的落差。歷經幾輪迭代，確認虛擬模擬與真實數據一致後，方可確認整設計流程是準確可靠的。半導體所預計於2025年年底至2026年邁向整片晶圓投片，提供更大幅度的設計嘗試與試產。

除了矽基技術，半導體所更與荷蘭台夫特理工大學展開深度合作，探索磷化銦晶片。由於矽材料在單通道速率接近200Gbps時已逼近物理極限，若要追求更乾淨的訊號與更高的頻寬，必須引入新的物理機制或材料。雙方合作開發的磷化銦晶片，單通道傳輸速率最高可達320Gb∕s PAM4。未來，這種高性能的InP調製器與雷射將透過先進整合技術結合在矽光晶片上，為下一代數據中心提供超越摩爾定律的解決方案。

碳化矽驅動高壓功率革命

如果說矽光子解決AI的通訊速度，碳化矽則是解決AI與電動車的能源效率。隨著電動車邁向800V高壓平台，以及AI數據中心能源消耗的攀升，以碳化矽為首的第三代半導體成為節能的關鍵。半導體所2025年不僅在元件耐壓規格上取得突破，更在「積體化」上跨出一大步。

半導體所開發的1,700V溝槽式（trench）碳化矽元件，正是為了應對電動車與大功率工業需求，主要應用於電動車、AI數據中心與高壓直流輸電。相較於傳統平面式元件，溝槽式設計能顯著降低導通阻抗。在相同面積晶片下，溝槽式元件可承載更大的電流密度，進而降低能耗。

然而，溝槽式結構並非沒有挑戰。在元件底部挖槽會導致底部電場過於集中，容易破壞閘極氧化層，影響可靠度。對此，研究團隊開發出雙重保護技術，一方面在溝槽底部透過離子佈植技術製造緩衝區域，另方面將承受高壓的底部氧化層加厚，導通電流的側壁則維持薄層。這項成果在導通阻抗指標上，已遠超國科會所訂定的技術標準，達到國際領先水準。

針對特高壓場景，半導體所也成功開發6,500V平面式元件。這項技術主要針對國家級電網與大規模AI能源系統。未來，特大型AI數據中心可能需要配備專屬變電所，將特高壓電力轉換為中低壓。在此過程中，6,500V的碳化矽平面式元件足以擔任高效能的轉換與開關功能，降低傳輸損耗。

此外，傳統矽晶片在攝氏150度時便會因漏電導致失效，因此需要複雜散熱與保護電路。半導體所和陽明交通大學合作研發的碳化矽單晶整合積體電路，則打破此限制，實現在攝氏300度環境下穩定操作的目標。

這項技術的核心優勢在於「化繁為簡」，透過將驅動電路與功率元件直接整合在同一塊碳化矽晶片上，省去傳統封裝打線帶來的阻抗和電感，讓系統反應速度更快、體積更小。

碳化矽晶片毋須複雜的冷卻裝置，在高溫下仍能維持200kHz的操作頻率。這不僅縮減20％～30％的晶片面積，更為航太、深井鑽探及次世代工業控制開啟全新大門，此成果也已發表於電力電子領域的頂尖學術會議國際功率半導體與IC設計研討會（ISPSD）。

奈米光子重塑3D感測技術

在掌握速度與電力後，半導體所將目光投向「感知」。在智慧終端與機器人領域，3D感測技術是設備理解空間的核心，然而現有系統體積龐大且能耗高，難以進一步微型化，但半導體所在2025年達成世界首創的單石整合超穎介面與光子晶體面射型雷射（PCSEL）。

目前市場主流感測光源是垂直共振腔面射型雷射（VCSEL），但VCSEL存在發散角大和長波長開發困難等瓶頸，半導體所於是選擇技術門檻更高的PCSEL，利用光子晶體的奈米孔洞結構產生諧振，其發散角極小，幾乎是完全準直光，且光譜極窄，不需要額外準直透鏡，從源頭就解決體積問題。

傳統光學系統需要由雷射廠、透鏡廠、鍍膜廠共同協作，堆疊多層光學元件才能產生特定光束（如：Face ID的結構光點陣）；透過半導體所的深入研究，所有功能縮限在單一晶片內，使整體模組體積縮小2,480倍，能耗也僅需要傳統方案的70％，而且全部在半導體廠內完成，省去透鏡採購與複雜的對準封裝工藝。

這項技術為「單目立體視覺」提供強大動力。目前手機感測器（如：前鏡頭瀏海）仍是毫米等級，未來若採用此整合元件（尺寸僅約300微米，三根頭髮寬度），感測器可完全隱藏於螢幕黑邊內。此項成果已榮登國際重要期刊《ACS光子學》（ACS Photonics）與《奈米通訊》（Nano Letters），並榮獲全球最具影響力的顯示器產業展覽之一Touch Taiwan I-Zone創新智慧顯示專區金獎。此外，展望未來波長選擇上，半導體所亦開發出具備「人眼安全」特性的1,350奈米、1,550奈米長波長元件。長波長雷射易被水分吸收，不會穿透眼球傷害視網膜，讓感測距離更遠、功率更強。

回顧2025年半導體所的三大研發進展，即便領域不同，但核心邏輯高度一致—透過高度積體化與材料創新，解決傳統系統體積大、能耗高、傳輸慢的痛點。展望未來，隨著矽光子平台進入整片晶圓投片階段，以及碳化矽晶片與PCSEL技術的進一步優化，半導體所將持續成為關鍵推手，引領AI與電動車時代的全面進步。