半導體是台灣關鍵產業，而車用半導體的研發與應用，更是打造全球電動車生態系的重中之重。做為產業銜接學術界的橋樑，鴻海研究院半導體研究所所長郭浩中表示，半導體所在投入前瞻技術的開發的同時，還有與鴻海集團密切合作，打造「More than Moore」的新世代半導體應用路徑。
郭浩中表示，半導體所的技術研發，主要聚焦在電動車、次世代通訊跟 AR、VR 等的應用，而大方向主要是呼應中研院院士、鴻海研究院諮詢委員張懋中提出的「best junction for the function」。透過半導體異質整合與奈米光學技術，跳脫過去半導體開發致力於追求尺寸的縮小，致力於整合不同功能，「More than Moore」，在應用方面超越摩爾定律的限制，讓元件發揮最佳效能。
因此半導體所在 2022 年選用光達（LiDar）做為測試場域，光達有三個趨勢，分別是體積要小、安全，還有效能提升；效能不只是看得更快更遠更清楚，並且要具有可靠度。要做到這一點，不只需要把光達微型化，更需要「固態化」，也就是沒有可動部件，讓整體系統更加穩定。
集合眾人之力 開發光達先進光源模組
在這樣的架構下，半導體所與包括陽明交通大學等多家學研單位合作，共同開發出 OPA 光達先進光源模組。郭浩中進一步說明，這個模組需要整合幾個關鍵技術，包括高電子遷移率電晶體（HEMT，High Electron Mobility Transistor）、光子晶體面射型雷射（PCSEL，Photonic Crystal Surface-Emitting Lasers），以及超穎介面（Metasurfaces）。而這個模組也是典型的「三代同堂」，整合不同世代的半導體材料組合而成。
如同大家熟知的，第一代半導體的材料是矽、第二代是砷化鎵 (GaAs)和磷化銦 (InP)，第三代則是氮化鎵 (GaN) 和碳化矽 (SiC)，又稱為寬能隙半導體，三代各有不同的特色。例如矽有成本優勢，通常拿來做邏輯電路；砷化鎵的光電轉換效率很高，所以用來做雷射能夠發光。而第三代半導體氮化鎵能夠耐高壓高頻跟高溫，適合做功率元件。
郭浩中說明，三個世代的半導體各有不同長處與用途，其實並沒有世代交替的概念，「所以我們等於搭建一個舞台，讓三代同堂，各展所長。」
PCSEL 實現更佳輸出、更高精度
至於光子晶體雷射，簡單來說就是一個特殊排列的奈米結構特殊排列。例如蝴蝶翅膀為什麼是藍的？因為當光打在這個奈米結構上時，只會反射特定的頻譜，而蝴蝶翅膀上的那個結構剛好就是讓藍光反射，所以基本上這是一種仿生結構
所以光子晶體雷射就是取自於大自然的一種結構，嵌入所設計之光子晶體結構於元件中，形成一種具有優異光學特性的雷射，可以讓雷射得到更好的同調性。
郭浩中舉例說明 LED、雷射跟光子晶體雷射的不同，想像一道光束裡，LED 就是很多散亂的光子，像是小朋友們放學走出校門一樣，是散開的。而一般雷射像是行軍的隊伍排隊一起走，看起來整齊多了。
光子晶體雷射的同調性更高，像是儀隊一樣，舉手投足都是整齊劃一的。所以輸出的光點愈來愈小；再加上光子晶體雷射的發散角度很小，讓光達點雲更加細緻，也就是能夠看得更清楚。
最重要的是，一般雷射因為光束發散角度是相對較大，需要一個透鏡組來聚焦；出光的時候還要搭配整形器。但光子晶體雷射不需要搭配其他模組，可以化繁為簡，讓模組更簡單、元件體積更小，有效降低系統的複雜度。
超穎介面 值得期待的破壞式創新
超穎介面則是利用奈米結構來控制光束行進的方式，相較傳統玻璃鏡頭，體積可以達到 50 萬倍的微縮。所以超穎光學是相當令人期待的破壞式創新技術，只要一個極小的光學元件就能取代許多玻璃鏡組。再加上可以兼容於半導體製程，將會對既有產業生態產生很大的影響。
像大家熟悉的手機，以現有的製作流程來看，一般會有感應器和鏡頭，通常那要去半導體廠做感測器、光學廠做鏡頭，再到封裝廠進行封裝，這就是傳統光學模組。但如果採用超穎介面，就可以垂直整合所有流程，全部在半導體廠完成，甚至不需要封裝與接合。
包括蘋果跟很多大廠目前都正在發展相關技術。郭浩中指出，像很多人用 iPhone，為了臉部辨識功能，目前 iPhone 都有俗稱的「瀏海」。如果改用超穎介面，只需要頭髮大小的奈米元件就可投影高精密結構光，手機就可以達到真正的全螢幕。同時，這個技術也能夠應用在 AR、VR 的顯示器上，將成為下一代的重要顯示技術。
郭浩中強調，半導體技術研發精進，必須集眾人之智才能成功，鴻海研究院半導體所在過去兩年積極和陽明交大、UCLA 以及台灣半導體中心合作，不僅發表 35 篇論文並申請多項專利。同時，還透過和集團內鴻揚半導體合作，將研發成果與產品密切結合。展望未來，相信可以在過去多年台灣累積的半導體優勢上，定義下一個世代的創新科技。
⊕本文選自鴻海研究院2022年鑑