2018年國際電子元件會議觀察(一)

國際電子零組件會議(International Electron Devices Meeting；IEDM)是國際半導體界的盛事，從議程可以一瞥整個半導體產業的未來展望。由於有論文的發表，創新的成分是必要條件。但是新的技術未必能真正被實施，而接近商業化的新興技術又有公司機密的考量，從IEDM議程與發表論文中也許未必能呈現產業研發的完整風貌，能從其中淬取出什麼端倪，要靠個人的經驗來做自由心證。

無論如何，每年的IEDM有年度焦點議程(focus sections)，這是整個產業的關注焦點，反應整個產業面臨的共同問題與發展方向。2018年的4個焦點議程為Interconnect to enable continued scaling、Quantum computing devices future、Technologies towards wireless communication: 5G and beyond、Challenge for wide band gap device adoption in power electronics。

第一個焦點議程基本上處理的是在持續微縮的過程中銅連線(interconnect)所遭遇的電遷移(electromigration)問題。電遷移是指金屬材料中的金屬離子承受電流中電子動量移轉而逐漸離開離子原來的位置，因而造成可靠性問題、甚或斷裂。提出來的論文有的從零組件或金屬連線的設計下手，有的則考慮替換材料，譬如從銅替換成鈷或釕；有的則在銅連線的上下加上石墨烯、鈷、氮化鉭等材料，改善速度和可靠性。這些都是沿著摩爾定律軌跡繼續前進的步伐。

量子運算零組件談的多是各種量子位元的材料，包括最先開發的超導體、矽的離子植入摻雜(ion-implanted dopant)、矽同位素、Majorana費米子等。由於目前量子位元數目最多還不到100個，而要做真正有效的量子運算需要至少幾千個量子位元。如若考慮到目前量子位元保真度(fidelity)的水平，量子錯誤修正(QECC)所需的量子位元數目更要有數量級的成長，因此量子位元數的可擴張性(scalability)是必要條件，如何以先進半導體製程來整合這些各種量子位元也是個重要議題。

第三個焦點議程關注5G以及未來的通訊需求，由於未來世代通訊所需傳遞的資訊量大，速度是先決條件。有的方法是從現有的矽基半導體，譬如FinFET改善其射頻及毫米波(mmWave)的特性下手；另外的則從化合物半導體(compound semiconductor)，也就是現在大陸所稱的第三代半導體下手，其實這焦點議程的大標題就是化合物半導體與高速零組件。這次討論的零組件材料包括GaN材料的高電子遷移率電晶體(High Electron Mobility Transistor；HEMT)、SiG材料的異質接面雙載子電晶體(Heterojunction Bipolar Transistor；HBT)。其他的III-V材料如GaAs則在另一非焦點議程中討論，濾波器在5G應用也很重要，譬如相對於表面聲波(SAW)的體聲波(Bulk Acoustic Wave；BAW)。

另一個焦點議程是功率器件，材料是寬帶隙(wide band gap)材料，主要是SiC和GaN，前者耐高壓、高電流，後者切換速度快。SiC的引入功率器件領域已全面化，包括二極體、超接面(super junction) power MOSFET、絕緣柵雙極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor；IGBT)。GaN被討論的是在新能源車的應用，還有另一非焦點議程專章討論GaN的技術和效能。對於功率零組件，可靠性(reliability)永遠是核心議題，這也當然在寬帶隙功率零組件的討論範疇之中。

從這幾個焦點議題來看，除了第一個是摩爾定律的遺緒之外，其餘的都是more than Moore的新領域。新的應用如量子運算、5G、新能源等都是以應用來指引技術發展、添加半導體價值，也難怪在異質整合路標(Heterogeneous Integration Roadmap；HIR)中的工作小組要將應用組放在首位了。