自從1940年代全球第一顆電晶體問世,半導體產業如乘上火箭般蓬勃發展,全面滲透人們日常生活,舉凡電視、電腦、家電、手機等產品全都與半導體的應用密不可分。以「矽」為主要材料的第一類半導體,過去長期主宰了半導體產業。如今隨著AR/VR科技、智慧物聯網,和未來6G網路等科技發展,被稱為第三類半導體的化合物半導體,也開始展露頭角。
有別於第一類半導體由單一元素材料製成,方法相對簡單、市場已經成熟;第二、三類半導體,都是由兩種以上材料製成,技術較複雜,合計產值佔總半導體產值不到一成。其中,第三類半導體具備高頻率、低雜訊、高功率、低耗電的特性,代表性材料像是碳化矽(SiC)與氮化鎵(GaN)。
第20屆有庠科技講座光電科技類得獎者,陽明交通大學光電工程系講座教授郭浩中指出,未來要實踐元宇宙虛擬共享空間願景的穿戴式裝置,就有賴化合物半導體材料持續進步,變得更小、更省電,以製造穩定高效能的微發光二極體(Micro-LED),並達到快速的無線通訊傳輸。
當顯示器因應電子產品尺寸越做越小,甚至進入奈米層級製程時,發光率、色彩精準度、可靠度等,都是挑戰。例如,研發可發出RGB三原色的全彩化Micro-LED顯示模組,技術門檻就相當高。郭浩中團隊花費十年時間研究,首創量子點色轉換技術,大幅提升光萃取效率、發光率,控制光發散角縮小,實現單晶全彩Micro-LED顯示。

▲透過量子點色轉換技術噴塗奈米孔洞,可令每個量子點大小都十分均勻且顏色分明。
然而,晶片蝕刻製程產生的側壁效應會降低量子效率。為了克服障礙,郭浩中團隊從五年前開始導入原子層沉積(ALD)鈍化保護技術,有效改善側壁損害,提高Micro-LED的量子效率,兼具廣色域與高演色性,不會產生色偏或衰退,生命週期也更長。
郭浩中表示,量子點色轉換技術、ALD鈍化保護技術等可增進Micro-LED元件效能的技術,吸引許多廠商前來合作,像是群創光電、錼創科技,均正在利用上述技術來量產其顯示器產品。
電動車產業近年來日益興盛,大廠特斯拉帶頭採用SiC製造車用電晶體,更讓化合物半導體往後成為兵家必爭之地,也因此郭浩中於2021年暑假起借調鴻海研究院,擔任半導體研究所所長。他認為,台灣身為第一類半導體製造龍頭,累積深厚的IC設計與封裝經驗,再加上異質介面整合技術,能實現不同半導體材料製成的多合一元件,假以時日將有機會達成智慧電動車製造一站化的目標。
台灣目前在發展電動車產業上還需要克服什麼困難呢?郭浩中直言,材料品質尚未達標是一大關鍵。「我們的SiC和GaN材料品質還比不上日本、美國和歐洲等先進大國。」此外,郭浩中提到,台灣產業界直到近三、四年才開始重視化合物半導體,導致人才大多投入第一類半導體產業,資源過度傾斜也是劣勢之一。
郭浩中因為化合物半導體的研究而獲2022年有庠科技獎光電科技獎項的講座。有庠科技獎評審團由國內眾多傑出學者,包含中研院院士所組成,「這不只是對我個人,也是對這個研究方向的肯定。」郭浩中期待,能透過獲獎激勵更多學子與年輕學者,投身化合物半導體研究領域。同時他也呼籲,政府各機關部門都應該有所行動,積極挹注資源,產官學攜手開拓化合物半導體引領的藍海市場,攻佔先機。
【甄選資訊】
本屆甄選獎項為有庠科技講座、有庠科技論文獎,全面採用線上申請,時間至2023/02/13截止,作業辦法與申請流程說明,請參考線上報名系統。
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