國研金獎─優等獎
亮點成果：次世代矽光子太赫茲晶片
使用平台：半導體中心「半導體製造服務平台－微影蝕刻模組驗證服務」

國立清華大學電子工程研究所副教授楊尚樺團隊，透過台灣半導體研究中心（簡稱半導體中心）全套尖端製程平台，成功將鍺錫（GeSn）四族半導體導入矽光子太赫茲偵測晶片，克服百年物理與製程瓶頸，並在單一矽基板上整合矽光子、太赫茲光子與電子晶片，可直接銜接現行成熟的半導體製程，極具6G下一代通訊等商業化量產價值，獲得今年「國研金獎」肯定。

太赫茲（Terahertz, THz）是電磁波的一段頻率範圍，「Tera」即10¹²，「Hertz」則是每秒振盪次數，也就是振盪頻率可達每秒10¹²次。它具有高速傳輸、感測、成像，以及穿透部分非金屬材料等特性，因此被看好應用於下一代通訊、工業檢測、生醫與成像等領域。

然而，太赫茲在應用上長期面臨「很難晶片化」的問題，因為目前用來產生與偵測太赫茲訊號的光源、偵測器等設備，往往體積龐大、價格昂貴，因此太赫茲技術多半只能應用在實驗室或特定產線，難以走入手機、穿戴式等日常裝置。若要讓太赫茲從大型設備走向日常應用，其中一項關鍵就是要把核心偵測元件縮小做成晶片。

但「縮小」並不是單純把元件尺寸縮小，而是在縮小之後還要維持足夠的效能，這一直是過去太赫茲偵測器要走向晶片化長期面臨的技術瓶頸。

太赫茲晶片化瓶頸　三大性能難以兼顧

楊尚樺解釋，首先，太赫茲頻率極高，每秒可振盪上兆次，換算下來，每次變化只在約一兆分之一秒內完成，因此元件內的電子也必須在極短時間內完成移動與切換，才能跟上太赫茲訊號的變化。其次，若要提高光電轉換效率，又需要有足夠多的電子參與反應，才能讓偵測器更容易接收到並辨識訊號。此外，在追求高速與高轉換效率的同時，還要兼顧材料導電與控制電流的能力，避免電子雖然增加，卻造成過多漏電或訊號干擾，影響晶片實際使用。

也就是說，要做出反應既快、轉換效率高，又能兼顧電學表現的太赫茲偵測晶片，過去一直相當困難。

團隊因此把目光轉向兼具高速反應潛力，又能與既有矽製程整合的鍺錫材料。相較於高速光電元件常用的三五族半導體，鍺錫屬於四族半導體，可直接在矽基板上製作，有利於與既有矽光子和半導體製程整合，也具備走向大規模、低成本製造的潛力。

在選定好鍺錫材料後，楊尚樺團隊進一步透過半導體中心的「半導體製造服務平台－微影蝕刻模組驗證服務」等核心技術服務，調控材料特性，突破太赫茲偵測晶片長期難以兼顧多項性能的技術瓶頸，成功做出可銜接現有光通訊技術的矽光子太赫茲偵測器晶片。這項成果也讓他們今年以「次世代矽光子太赫茲晶片」獲得國研金獎。

鍺錫解材料難題　半導體中心三大製程助攻

楊尚樺表示，這項研究能完成，半導體中心的全套製程服務平台扮演關鍵角色，特別是減壓化學氣相沉積（RPCVD）、離子佈植與電子束微影（E-Beam）三項製程。RPCVD是一種半導體薄膜成長製程，團隊利用這項設備製作鍺錫合金薄膜，建立核心材料；離子佈植是將特定離子打入材料中，用來進一步調控鍺錫的材料特性，讓材料在高速反應與光電轉換間取得更好的平衡；最後再使用電子束微影，在材料上製作奈米尺度結構，做成真正可運作的太赫茲晶片。

除了設備、製程之外，半導體中心的人員對製程穩定度、曝光參數、材料選擇與製程參數調整，也提供許多專業支援。楊尚樺形容，晶片製程就像蓋房子，每一步都要精準堆疊。學生在實作過程中與機台管理人員反覆討論、修正參數，才能一次次試錯、調整，從特殊材料製備一路推進到元件完成。

楊尚樺直言，如果沒有半導體中心，這項研究完全不可能在一般大學實驗室完成，因為先進無塵室與高階製程設備的建置成本極高，並且這些機台還必須長期維護保持穩定，研究團隊才能反覆試做、持續修正，把材料與製程一步步調到理想狀態。

瞄準6G　太赫茲晶片有望走向應用

楊尚樺說，他曾在美國使用其他無塵室設備，因此更能體會，臺灣研究者能以相對可負擔的成本，頻繁使用品質穩定、甚至相當稀有的設備，得以更快累積試作經驗、推進到理想成果，是臺灣非常難得的研究優勢。

對於這次獲得國研金獎，楊尚樺特別感謝半導體中心提供製程環境與專業建議，包括陳俊淇、黃才銘、黃文賢、薛富國等人，有了他們的協助，團隊得以更快排除問題。他說，這些資源不只推進研究，也讓碩士階段的學生就能累積高階製程與整合經驗，對臺灣半導體人才培育具有重要價值。

下一步，團隊將持續朝太赫茲系統單晶片整合與實際應用推進，包括6G等下一代高速通訊、工業檢測與智慧感測等領域。楊尚樺認為，太赫茲具有穿透部分材料的特性，可用來觀察晶片內部缺陷、設備組裝或封裝內部結構等一般相機看不到的資訊。未來若能進一步把太赫茲設備做成低成本、可大量生產的晶片，就有機會讓這類檢測變得更普及，取得更多實體世界的內部資料，再結合AI分析與判斷，將會成為虛實整合的重要基礎。