當全球科技競技場從地表拉升至萬哩高空時，次世代通訊已成為各國搶進的戰略制高點。工研院以化合物半導體材料氮化鎵（GaN），打造「超高頻GaN-on-Si技術與系統驗證平台」，不僅元件最高頻率達325GHz，創下世界紀錄，也為臺灣建立起超高頻通訊技術自主的護城河，獲工研菁英傑出研究獎金牌。
「這項技術是團隊有史以來做過最困難的題目！」回顧研發過程，工研院電子與光電系統研究所組長許世玄有感而發。
光看技術名稱就知道不簡單的「超高頻GaN-on-Si技術」，是支撐次世代通訊的關鍵。隨著低軌衛星乃至6G通訊進入白熱化，全球對於高頻寬與巨量資料傳輸的需求，正以幾何速度飛快成長。然而這份對速度的渴望，卻撞上一道物理限制的高牆。
現實世界中，頻率與傳輸距離無法兼得－傳輸頻率越高，雖能承載越大的資料量，但卻越容易受到各種干擾，導致訊號衰弱，傳輸距離縮短。為了在嚴苛的高頻環境下維持原有的傳輸距離，便需要將通訊設備或基地台發射訊號的功率向上墊高，而負責將微弱訊號放大、射向天際的核心關鍵，便是「功率放大器」（Power Amplifier；PA）。
當通訊大廠紛紛將戰線移往這塊核心元件時，如何突破傳統材料的物理枷鎖，便成為勝負關鍵。傳統的矽（Si）或砷化鎵（GaAs）等半導體材料，在高頻環境下的功率輸出能力已來到極限，此時具備超高頻、高功率與低損耗特性的氮化鎵（GaN），躍上科技舞台，成為全球關注的化合物半導體材料。
「未來6G或地面設備直連衛星的時代，談的都是高頻率和長距離的結合，才能滿足大量資料傳輸，」許世玄說。為了替臺灣網通產業搶占關鍵戰略位置，感謝經濟部支持，工研院集結電光、資通與材化領域共40人團隊，歷經5、6年漫長孵育，成功開發出「超高頻GaN-on-Si技術與系統驗證平台」，不僅氮化鎵元件最高頻率可達325GHz，世界最高，可應用於100GHz之傳輸系統；在相同功率輸出下，功率放大器的效率比國際領先大廠提升70%以上，為臺灣化合物半導體的發展，樹立了榮耀的里程碑。
磊晶、元件、模組、封裝：打造從材料到系統的完整自主技術鏈
面對歐美、中國大廠早已紛紛搶進氮化鎵材料，臺灣若想彎道超車，必須建立技術自主，工研院從最底層的磊晶、到氮化鎵元件，到最後的PA模組與封裝，一步步從無到有，建立起超高頻氮化鎵元件的全製程技術與系統平台。
團隊以臺灣在地供應的8吋矽基板為基底，以「四元磊晶」（AlInGaN；鋁銦鎵氮）技術，在上頭一層一層「長」出化合物半導體晶格。團隊透過獨創的氣流調控技術，讓磊晶均勻成長，為後續製程打下良好基底；再搭配特殊的緩衝層設計，大幅提升磊晶的穩定性，把過去「每5片破2片」，扭轉為「100%不破片」的完美良率。
磊晶完成後，接著進入微觀尺度的元件製程。為了讓電子在晶片內部能以高頻速度切換，控制電子流動的「閘極」尺寸必須做到極致微縮同時要還要確保其電阻值低。團隊憑藉精準的側壁蝕刻技術，在不破壞化合物半導體的脆弱表面之下，成功研發出僅有39奈米的T型閘極，相比業界主流的近120奈米，無論是運算速度、功耗、體積與成本都更有優勢。
在製程階段，同時搭配「磊晶再成長技術」，團隊在金屬連接點處，挖掉原先的磊晶，透過精準掌控時間與溫度，重新長出超低電阻的同質磊晶，進一步降低金屬接觸點的電阻，讓超高頻訊號得以全速奔馳。
氮化鎵電晶體完成後，資通技術團隊則負責功率放大器的電路設計，採用「對稱式功率耦合架構」，在不影響原有元件特性的前提下，提升毫米波功率放大器的穩定度。
當元件和電路設計就緒，最後來到模組與封裝階段，團隊研發自有的天線封裝（Antenna in Package；AiP）專利，把多顆晶片與天線封裝在微小體積內，可有效縮小體積，可更好內嵌至各種行動裝置。但多晶片伴隨而來的，則是棘手的散熱問題，團隊首創「散熱厚銅導線架」架構，讓高導熱的厚銅導線跨越功率放大器，將核心發熱源的熱能直接帶走，解開超高頻晶片的散熱魔咒。
而超高頻電路也會帶來雜訊問題，材化領域團隊研發出獨家的電磁干擾（EMI）抑制材料，將雜訊直接「吸收」。許世玄指出，因為傳統反射雜訊的方式，在窄小空間內，會因到處彈跳難以確保反射位置。搭配低損耗封裝膠水材料，在325GHz的超高頻下，介電耗損僅有0.00054，表現遠低於國際龍頭的0.0009紀錄。
集結跨領域團隊 緊密協作致勝關鍵
如此高難度的研發，從來就不是一帆風順。「還記得我們第一年投入時，元件頻率只做到50GHz，被國際上的同行質疑：『只做到這樣（的水準），能幹什麼？』」許世玄回憶那段受挫的日子。
而工研院內的8吋晶圓產線，白天總是處於全面滿載的緊繃狀態，團隊為了擠出試驗空間，時常要犧牲睡眠，利用半夜時間排上產線、加班趕工、試做、失敗、檢討、優化…周而復始。「就這樣做了5、6年，同樣的元件頻率達到325GHz，世界領先，坦白說，那個感覺真的是很不一樣！」
跨單位的緊密協作，也正是這項技術破紀錄的關鍵，「這是一個跨單位、跨領域的應用案例，而且配合得非常好。」許世玄指出，從最底層的磊晶、元件、電路設計、模組到最後的封裝，在國外可能都是不同公司，但工研院全都整合在同一團隊內，一旦哪個環節出問題，立刻就能快速溝通，在前後製程階段修正調整，讓研發迭代速度有了質的飛躍，「這是我們的致勝秘訣。」
串聯產業 打造臺灣首個氮化鎵IDM平台
除了頻率破紀錄，這項技術對臺灣產業更有里程碑式的意義。許世玄指出，通訊技術在國外幾乎都由整合元件製造（IDM）大廠主導，臺灣半導體產業雖然實力堅強，但特色是高度分工，工研院在既有的產業生態下，透過跨所跨單位的強力整合，建構了臺灣第一個氮化鎵IDM的技術與系統驗證平台，「從磊晶、模擬、元件、模型、電路、封裝、材料到系統，從頭串到尾，建立了一個完整生態。」
「這個技術平台的出現，展現臺灣半導體從『代工思維』跨入『系統定義』的關鍵轉折。」許世玄說，工研院用這顆超高頻氮化鎵元件證明了，臺灣不僅能做好分工，也有能力在全球高難度的化合物半導體賽局中，點亮自主研發的燈火，為產業照亮前路。
目前這個平台所研發產出的磊晶、氮化鎵元件、封裝材料、射頻模組與系統等，已和國內高達67家相關廠商合作，串聯臺灣上中下游產業鏈，建立次世代通訊和氮化鎵元件產業生態系。團隊也完成從磊晶、元件、封裝到系統的完整專利布局，共20件核心專利，支撐超高頻氮化鎵技術的垂直整合與系統應用。
如今產業界正依循這張技術藍圖，將成果廣泛商品化，目前磊晶晶圓已穩定出貨，成功扶植業者拆分出兩家新創公司。這讓臺廠不需要再仰賴歐美巨頭的鼻息，直接在國內就能獲得大廠等級的完整製程開發與驗證，其影響力遠遠超越單一技術。
氮化鎵技術自主 為國家構築堅實堡壘
成功跨越技術關卡、協助許多臺廠開拓出海口後，團隊並未停止腳步，許世玄表示，未來目標希望將氮化鎵元件能夠再更微縮化，以及達到更低的功耗和電壓，讓功率放大器足以嵌入每個人身上的手機、智慧手錶和智慧眼鏡中，實現未來行動裝置與衛星直連的夢想。
「更重要的是，通訊攸關國家安全！」許世玄說。超高頻通訊晶片自主權的迫切性，遠比一般電子元件更具備戰略意義，尤其當今地緣政治加劇，若手機、通訊、基地台、衛星，甚至是飛彈雷達與無人機的超高頻晶片，全都來自國外，一旦斷鏈，後果堪慮。工研院的成功研發，將技術牢牢掌握在自己手中，無異是為產業，也為國家築起了一道韌性堅實的堡壘。
（本文是由工業技術與資訊授權轉載）
