從半導體到量子晶片：台灣成為全球量子科技的核心力量！

為什麼台灣會像坐在搖搖椅上，總是時不時地晃動？這個問題或許有些令人不安，但卻是我們生活在這片土地上的現實。根據氣象署統計，台灣每年有 40,000 次以上的地震，其中有感地震超過 1,000 次。2024年4月3日，花蓮的大地震發生後，台灣就經歷了超過 1,000 次餘震，這些數據被視覺化後形成的圖像，宛如台北101大樓般高聳穿雲，再次引發了全球對台灣地震頻繁性的關注。

地震發生後，許多外國媒體擔心半導體產業會受影響，但更讓他們稱奇的是，台灣竟然能在這麼大的地震之下，將傷害降到這麼低，並迅速恢復。不禁讓人想問，自從 25 年前的 921大地震以來，台灣經歷了哪些改變？哪些地方可能再發生大地震？如果只是遲早，我們該如何做好更萬全的準備？

要找到這些問題的答案，最合適的地點就在一座從地震遺跡中冒出的主題博物館：國立自然科學博物館的 921地震教育園區。

下一個大地震在哪、何時？先聽斷層說了什麼

1999年9月21日凌晨1點47分，台灣發生了一場規模7.3的大地震，震央在南投縣集集鎮，全台 5 萬棟房子遭震垮，罹難人數超過 2,400 人。其中，台中霧峰光復國中校區因車籠埔斷層通過，地面隆起2.6公尺，多棟校舍損毀。政府決定在此設立921地震教育園區，保留這段震撼人心的歷史，並作為防災教育的重要基地。園區內兩處地震遺跡依特性設置為「車籠埔斷層保存館」和「地震工程教育館」。

車籠埔斷層保存館建於原操場位置，為了保存地表破裂及巨大抬升，所以整體設計不採用樑柱結構，而是由82根長12公尺、寬2.4公尺、重約10噸的預鑄預力混凝板組成，外觀為曲線造型，技術難度極高，屬國內外首見，並榮獲多項建築獎。而地震工程教育館保留了原光復國中受損校舍，讓民眾親眼見證地震的驚人破壞力，進一步強調建築結構與安全的重要性。毀損教室旁設有由園區與「國家地震工程研究中心」共同策劃的展示館，透過互動展示，讓參觀者親手操作，學習地震工程相關知識。

國立自然科學博物館地質學組研究員蔣正興博士表示，面積上，台灣是一個狹長的小島，卻擁有高達近4000公尺的山脈，彰顯了板塊激烈擠壓、地質活動極為活躍的背景。回顧過去一百年的地震歷史，從1906年的梅山地震、1935年的新竹-台中地震，到1999年的921大地震，都發生在台灣西部，與西部的活動斷層有密切關聯，震源位於淺層，加上人口密度較高，因此對台灣西部造成了嚴重的災情。

而台灣東部是板塊劇烈擠壓的區域，地震震源分佈更廣。與西部相比，雖然東部地震更頻繁，但由於人口密度相對較低，災情相對較少。此外，台灣東北部和外海也是地震多發區，尤其是菲律賓海板塊往北隱沒至歐亞板塊的隱沒地震帶，至沖繩海槽向北延伸，甚至可能影響到台北下方，發生直下型地震，這種地震因震源位於城市正下方，危害特別大，加上台北市房屋非常老舊，若發生直下型地震，災情將非常嚴重。

除了台北市，蔣正興博士指出在台灣西部，我們特別需要關注的就是彰化斷層的影響，該斷層曾於1848年發生巨大錯動。此外，我們也需要留意西南部的地震風險，如 1906 年的梅山地震。此兩條活動斷層距今皆已超過 100 年沒活動了。至於東部，因為存在眾多活動斷層，當然也需要持續注意。

我們之所以擔心某些斷層，是因為這些區域可能已經累積了相當多的能量，一旦達到臨界點，就會釋放，進而引發地震。地質學家通常會沿著斷層挖掘，尋找過去地震的證據，如受構造擾動沉積物的變化，然後透過定年技術來確定地震發生的時間點，估算出斷層的地震週期，然而，這些數字的計算過程非常複雜，需要綜合大量數據。

挑戰在於，有些斷層的活動時間非常久遠，要找到活動證據並不容易。例如，1906年的梅山地震，即使不算久遠，但挖掘出相關斷層的具體位置仍然困難，更不用說那些數百年才活動一次的斷層，如台北的山腳斷層，因為上頭覆蓋了大量沉積物，要找到並研究這些斷層更加困難。

儘管我們很難預測哪個斷層會再次活動，我們仍然可以預先對這些構造做風險評估，從過往地震事件中找到應變之道。而 921 地震教育園區，就是那個可以發現應變之道的地方。

921 後的 25 年

在園區服務已 11 年的黃英哲擔任志工輔導員，常代表園區到各地進行地震防災宣導。他細數 921 之後，台灣進行的六大改革。制定災害防救法，取代了總統緊急命令。修訂了建築法規，推動斷層帶禁限建與傳統校舍建築改建。組建災難搜救隊伍，在面對未來災害時能更加自主應對。為保存文化資產，增設了歷史建築類別，確保具有保存價值的建築物得到妥善照料。

最後，則是推行防災教育。黃英哲表示，除了在學校定期進行防災演練，提升防災意識外，更建立了921地震教育園區，不僅作為教育場所，也是跨部門合作的平台，例如與交通部氣象署、災害防救辦公室、教育部等單位合作，進行全面的防災教育。園區內保留了斷層線的舊址，讓遊客能夠直觀地了解地震的破壞力，最具可看性；然而除此之外，園區也是 921 地震相關文物和資料的重要儲存地，為未來的地震研究提供了寶貴的資源。

堪稱園區元老，在園區服務將近 19 年，主要負責日語解說工作的陳婉茹認為，園區最大的特色是保存了斷層造成的地景變化，如抬升的操場和毀壞的教室場景，讓造訪的每個人直觀地感受地震的威力，尤其是對於年輕的小朋友，即使他們沒有親身經歷過，也能透過這些真實的展示認識到地震帶來的危險與影響。

陳婉茹回憶，之前有爸媽帶著小學低年級的小朋友來參觀，原本小朋友並不認真聽講，到處跑來跑去，但當他看到隆起的操場，立刻大聲說這他在課本看過，後來便聚精會神地聽完 40 分鐘的解說。

除了每看必震撼的地景，園區也透過持續更新策展，邀請大家深入地震跟防災的各個面向。策展人黃惠瑛負責展示設計、活動規劃、教具設計等工作。她提到，去年推出的搜救犬特展和今年的「921震災啓示展」與她的個人經歷息息相關。921 大地震時的她還是一名台中女中的住宿生，當時她儘管驚恐，依舊背著腿軟的學姊下樓，讓她在策劃這些展覽時充滿了反思。

在地震體驗平臺的設計中，黃惠瑛強調不僅要讓觀眾了解災害的破壞力，更希望觀眾能從中學到防災知識。她與設計師合作，一樓展示區採用了時光機的概念，運用輕鬆、童趣的風格，希望遊客保持積極心態。二樓的地震體驗平臺結合六軸震動臺和影片，讓遊客真實感受921地震的情境。她強調，這次展覽的目標是全民，設計上避免了血腥和悲傷的元素，旨在讓觀眾帶著正向的感受離開，並重視防災意識。

籌備今年展覽的最大挑戰是緊迫的時間。從五月開始，九月完成，為了迅速而有效地與設計師溝通，黃惠瑛使用了AI工具如ChatGPT與生成圖像工具，來加快與設計師溝通的過程。

蔣正興博士說，當初學界建議在此設立地震教育園區，其中一位重要推手是法國地質學家安朔葉。他曾在台灣指導十位台灣博士生，這些博士後來成為地質研究的中堅力量。1999年921大地震後，安朔葉教授立刻趕到台灣，認為光復國中是全球研究斷層和地震的最佳觀察點，建議必須保存。為紀念園區今年成立20週年，在斷層館的展示更新中，便特別強調安朔葉的貢獻與當時的操場圖。

此外，作為 20 週年的相關活動，今年九月也將與日本野島斷層保存館簽署合作備忘錄（MOU），強化合作並展示台日合作歷史。另一重頭戲則是向日本兵庫縣人與自然博物館主任研究員加藤茂弘致贈感謝狀，感謝他不遺餘力，長期協助園區斷層保存館的剖面展品保存工作。

前事不忘，後事之師

盡力保存斷層跟受創校舍，只因不想再重蹈覆徹。蔣正興博士表示，921地震發生在車籠埔斷層，其錯動形式成為全球地質研究的典範，尤其是在研究斷層帶災害方面。統計數據顯示，距離車籠埔斷層約100公尺內，住在上盤的罹難率約為1%，而下盤則約為0.6%。這說明住在斷層附近，特別是上盤，是非常危險的。由於台灣主要是逆斷層活動，這一數據清楚告訴我們，在上盤區域建設居住區應特別小心。

2018年花蓮米崙斷層地震就是一個例證。

在921地震後，政府在斷層帶兩側劃設了「地質敏感區」。因為斷層活動週期較長，全球大部分地區難以測試劃設敏感區的有效性，但台灣不同，斷層活動十分頻繁。例如 1951 年，米崙斷層造成縱谷地震，規模達 7.3，僅隔 67 年後，在 2018 年再次發生花蓮地震，這在全球是罕見的，也因此 2016 年劃設的地質敏感區，在 2018 年的地震中便發現，的確更容易發生地表破裂與建築受損，驗證了地質敏感區劃設的有效性。

在過去的20年裡，921地震教育園區不僅見證了台灣在防災教育上的進步，也承載著無數來訪者的情感與記憶。每一處地震遺跡，每一項展示，都在默默提醒我們，那段傷痛歷史並未走遠。然而，我們對抗自然的力量，並非源自恐懼，而是源自對生命的尊重與守護。當你走進這座園區，感受那因地震而隆起的操場，或是走過曾經遭受重創的教室，你會發現，這不僅僅是歷史的展示，更是我們每一個人的責任與使命。

來吧，今年九月，走進921地震教育園區，一起在這裡找尋對未來的啓示，為台灣的下一代共同築起一個更堅固、更安全的家園。

延伸閱讀：
高風險？ 家踩「斷層帶、地質敏感區」買房留意
「我摸到台灣的心臟！」法國地質學家安朔葉讓「池上斷層」揚名國際
百年驚奇－霧峰九二一地震教育園區｜天下雜誌

量子電腦的新戰場：Atom Computing 的崛起

量子電腦的發展一直以來被視為科技的終極挑戰，從 Google 的量子霸權，到 IBM 不斷推進的Condor 超導電腦，業界翹首以待。然而，截至 2024 年，量子計算領域出現了一個新的變數。Atom Computing 一家美國新興公司，推出了擁有 1,180 個量子位元的量子電腦，不僅超越了IBM神鷹量子電腦的 1,121 個量子位元，甚至德國達姆施塔特工業大學也宣布開發出 1,305 個量子位元的超級電腦。

這些新興勢力的出現，不僅在位元數量上超越了 Google 與 IBM 的現有設備，更顛覆了量子電腦技術路線的既有認知。與以往依賴超導技術的量子電腦不同，Atom Computing 與達姆施塔特大學採用了「離子阱」( Ion Traps ) 技術，利用雷射與電場操控離子，形成穩定且壽命較長的量子位元。這是否意味著，超導量子電腦將不再是量子計算的唯一未來？

離子阱技術：量子計算的新契機？

為了理解這一新興技術的潛力，我們首先需要認識量子位元的製作原理。超導量子電腦運用電子在超低溫下的行為，來實現穩定的量子狀態。然而，隨著量子位元數量增加，超導系統面臨物理尺寸與能耗的挑戰。這也是為何離子阱技術逐漸受到重視。

離子阱技術是透過電場陷阱將帶電的離子懸浮在空中，並利用雷射操控其量子態。這種技術擁有更高的穩定性，且能在更長時間內維持量子位元的疊加態。然而，由於需要超低溫、精確的電場控制以及真空環境，離子阱技術在商業應用中的成本仍然偏高，但它的潛力不容忽視。

中性原子與光學魔法：更進一步的量子技術

除了離子阱技術，Atom Computing 與德國團隊則採用另一種不同的策略——使用中性原子來取代離子。中性原子不帶電，這意味著無法直接依賴電場控制，那它們如何操控？答案在於光學技術。他們運用光鑷（光學鑷子）和雷射致冷技術，用光來束縛和操控中性原子。光鑷是 2018 年諾貝爾物理學獎的技術，利用雷射的動量來推動和控制微小的粒子。

在這種方法下，雷射不僅能束縛原子，還能通過致冷技術將原子的運動降到極低，使得量子態更穩定。這種新興技術雖然仍處於實驗階段，但已顯示出其在量子計算中的巨大潛力。

量子點與鑽石空缺：人造原子的力量

另一個在量子計算領域獲得關注的技術是「量子點」( Quantum Dots )。量子點被視為人造原子，科學家透過在矽晶體等半導體材料中束縛電子，並利用微波來控制其自旋狀態。這項技術的最大優勢是半導體產業已經相當成熟，因此如果量子點技術能成功商業化，其普及速度將非常快速。即便如此，量子點技術仍需要在低溫環境下運作，且面臨如何克服材料內部雜訊干擾的挑戰。

與此類似的技術還包括「鑽石空缺」( Diamond Vacancies )，它透過在人造鑽石中替換部分碳原子，以氮原子取代，並使用雷射來激發這些空缺結構。鑽石空缺技術的最大優點是它不需要極低溫，能在室溫下運作，這使得它在未來的量子計算應用中具有很大的潛力。

二維世界的探索：拓樸量子位元

隨著三維物理的極限逐漸顯現，科學家們將目光投向了二維世界，探索其中的量子計算可能性。微軟與貝爾實驗室都在研究的「拓樸量子位元」( Topological Qubits ) 便是一個例子。拓樸量子位元基於一種稱為「任意子」( Anyon ) 的準粒子運作，這種粒子只存在於二維空間中，並且擁有無視傳統量子力學法則的特性。

拓樸量子位元透過操控粒子的空間幾何軌跡來實現運算，這種軌跡在二維空間中表現出穩定且高度容錯的特性。因此，與其他量子位元相比，拓樸量子位元的穩定性與耐久性更佳。然而，這項技術仍處於實驗階段，距離實際應用還有一段路要走。

量子電腦的未來：量子糾錯與穩定性挑戰

儘管量子電腦擁有極大的潛力，但其目前仍面臨著許多挑戰，最重要的便是量子位元之間的「保真度」( Fidelity ) 與「量子糾錯」( Quantum Error Correction ) 技術。現代的量子電腦對外界干擾極為敏感，甚至微小的環境變化都可能導致計算結果的錯誤。因此，提升量子位元的精確率，並開發有效的糾錯技術，是量子計算未來必須跨越的關鍵。

以 Google 為例，他們在 2023 年發布的研究顯示，通過增加量子位元數量並使用「表面碼」( Surface Code ) 技術，他們成功降低了量子計算中的錯誤率。這項進展意味著量子糾錯技術正逐步成為現實，然而，大規模商業化的量子電腦仍需更多時間才能問世。

誰將引領量子計算的未來？

量子電腦的發展方向多樣，從超導量子電腦、離子阱、中性原子、量子點、鑽石空缺，到拓樸量子位元，每一種技術都有其獨特的優勢與挑戰。誰能成為量子計算的最終霸主，仍然是未解之謎。或許在不遠的將來，量子電腦將以我們無法想像的速度改變世界，重新定義我們對計算、數據與科技的理解。

矽光子是近年熱門議題，晶圓大廠計劃將先進封裝整合 CPO 及矽光子技術，預計兩年後完成並投入應用。早在 2020 年，Intel  就指出矽光子將是先進封裝發展的關鍵，如今矽光子已真正成為半導體產業的核心研發方向。面對這次「電」轉「光」的新革命，您準備好了嗎？

本文轉載自宜特小學堂〈光革新突破半導體極限　矽光子晶片即將上陣〉，如果您對半導體產業新知有興趣，歡迎按下右邊的追蹤，就不會錯過宜特科技的最新文章！

隨著半導體積體電路技術的不斷發展，我們見證了摩爾定律的演進，元件尺寸的微縮和新材料的應用，都是為了提高單位面積內的元件數量，以加速 IC 的運算速度，同時改善散熱效能和節省能源。然而，隨著尺寸的微縮接近物理極限，製程技術面臨挑戰，良率問題也隨之浮現。

因應這一挑戰，專家開始探索將不同功能的 IC 集合成單一晶片、採用 3D 堆疊封裝技術等新途徑，但這些技術的核心仍然是用金屬線連接各個元件。自從晶片問世以來，「電子」一直是主要的訊號傳輸媒介，它的傳輸速度直接決定了晶片的性能。近年來高效能運算（HPC）、人工智慧（AI）、雲端數據等需求爆炸性成長，如何能突破限制實現更高效能的傳輸呢？於是大家把目光轉向了「光子」，藉由更快速的「光子」引入，是否可以加快元件的運作呢？

什麼是矽光子（Silicon photonics，簡稱 SiPh）？

矽光子（Silicon photonics，簡稱 SiPh） 是一種結合電子與光子的技術，是將光路微縮成一小片晶片，利用光波導在晶片內傳輸光信號。若能將處理光訊號的光波導元件整合到矽晶片上，同時處理電訊號和光訊號，便可達到縮小元件尺寸、減少耗能、降低成本的目標，但目前矽光子仍有許多技術難題需克服。

光通訊運用的「光纖」系統，能於世界各地以每秒數萬億 bit 的速度傳送數據，1968 年貝爾實驗室工程師很早就想到了。到了 21 世紀初發現光子技術不僅能在國與國之間做數據的傳遞，亦可在數據中心甚至是 CPU 之間，乃至於在晶片與晶片之間做數據傳輸。之所以採用「光」是因為玻璃（SiO₂）對於光來說是透明的，不會發生干擾的現象，基本上，可以透過在 SiO₂ 中，結合能夠傳遞電磁波的光波導（Waveguide）通路來高速地傳輸數據。

而矽（Si）材料的折射率（Refractive index）對比在紅外線的波長下高達 3.5，這也意味著，它比許多其他光學中所用的材料，更能有效地控制光的彎折或減速。一般光學傳輸的波長是 1.3 和 1.55 微米，在這兩個波段下矽材料不會吸收光線，因此光線能夠直接穿透矽材料。這種相容性使矽基設備能夠長距離傳輸大量數據，不會明顯失去訊號。

因此，矽光子技術透過原本 CMOS 矽（Si）的成熟技術，結合光子元件製程，可以使處理器核心之間的資料傳輸速度提高數百倍以上，且耗能更低；CPO（共同封裝光學）則是利用矽光子技術，將光通訊元件和交換器做整合，放在同一個模組內，這樣能縮短傳輸路徑，並在高速傳輸時，降低延遲與功耗。現今各大廠的目標是透過CPO和矽光子，實現更高效的光電封裝整合，大幅提升傳輸性能。

除了前面提到高效運算跟人工智慧需求不斷增加，光學雷達、生醫感測也非常適合使用光子元件，世界前幾大 IC 製造商都相繼發表矽光子是未來 IC 技術的關鍵及趨勢，本文將與大家分享相關文獻，了解矽光子元件組成與決定效能的關鍵。

矽光子元件組成，材料以「鍺」為首選

矽光子元件的基本組成是使用能將「光」轉換成「電」訊號的 p-i-n diode（PIN二極體）光電偵測器，加上傳輸訊號的光波導（Wave guide）與電訊號轉成光子的調變器（Modulator）、耦合器（Coupler）等所組合成的一個單晶片，斷面的結構大致如圖一所示。

其中最關鍵的製造技術即在圖一最右側 PIN 二極體，首選的半導體材料為鍺（Ge），因為鍺具有準直接能隙（Quasi-Direct band gap）且僅有 0.8eV 小於光子能量，能夠有效吸收光並轉換成電訊號，並且對於光的吸收係數很高，更適合用於光電偵測器，是一種非常好的取代材料。

PIN 是由一組高摻雜P （p+）型區和N （n+）型區之間夾著一層本質（Intrinsic）區所組成。在負偏壓下二極體的空乏寬度（Depletion width, Wd）會擴展至整個本質層。如圖二下能帶結構所示，當入射到本質層中的光子被吸收後，於導電和價電帶間產生電子–電洞對的漂移而形成電流。在矽光子元件的研發中最重要的方向，就是在不影響常規 CMOS 元件的特性下透過調整光電偵測器 PIN 的製程，且能使效能與頻寬達到最佳化。

如何辨別 Ge-PIN 的品質？

先以圖三簡單的說明一顆單晶片的設計，Ge-PIN 光電偵測器與 Si -光波導的相對位置，（a）圖為剖面結構示意圖，光波導位於本質層下方，（b）圖為正面 Layout。

因為 Ge-PIN 的品質差異會影響到偵測器的光電效能，鍺（Ge）的磊晶製程與 矽（Si）之間會有晶格不匹配與離子植入產生的差排缺陷等影響品質，圖四是Ge-PIN藉由穿透式電子顯微鏡（TEM）的觀察，可以明顯看出在本質層（Intrinsic）與 P 區均呈現亮區，代表沒有明顯缺陷，反觀在右側的 N 區則呈現暗灰色，這應該是源自於離子植入製程所產生的晶格缺陷。（延伸閱讀：破解半導體差排軌跡  TEM 技術找出晶片漏電真因）

此外，藉由 EDS 來分析波導中的矽（Si）是否有朝向 Ge-PIN 擴散的情形。圖五為鍺（Ge）層中沿著波導方向矽（Si）的含量分佈。矽（Si）摩爾百分比從接觸窗（Window）最高約 35%，向輸入側減少至低於 EDS 檢測極限的 2%，約是在 11mm 的位置處，表示發生明顯的擴散現象。

如何觀察影響光電偵測器效能空乏區寬度的大小？

矽光子元件主要是採用與矽基產品相同的 CMOS製程，藉由掃描電容顯微鏡（SCM）的分析技術可以量測 PIN 在不同製程條件下，觀察本質層中空乏區寬度（Wd）的變化，圖六說明經由 SCM 二維載子分布圖（Mapping）影像以及從一維載子線分佈（Line Profile），分別能區分 P/N 接面（Junction）的位置與 Wd 的示意圖。

圖七：在圖三（B）中 x3 位置的斷面 SCM （a）2D mapping 影像與（b）1D Line profile。 ^[7]

在圖三中 X3 與 X4 兩位置區域的剖面 SCM 一維載子分布的結果於圖八中，可以量得 p/n 接面位置偏移了約 215nm （兩條虛線間距）。上述都是透過 SCM，可觀測出空乏區寬度（Wd）的變化，而空乏區的寬度決定電流流過的多寡，將會直接影響到元件品質與性能。

本文中談到離子植入產生的晶格缺陷或是矽波導朝向本質層擴散現象，以及 N/P dopant 擴散速率的差異影響 Wd 寬度等，這些要素皆決定了矽光子元件的品質，都是目前研發單晶片矽光子製程技術，所需面對的課題。

此外，在設計 Waveguide 材料或形狀，以及其他相關製程的研發中，均可藉由奈米材料分析技術如 TEM、EDS 與 SCM 等，宜特科技擁有大量材料分析實戰經驗，可以提供客戶有效的濃度分布的數據分析，並以此依據改善研發製程細節。

事實上，現有相關矽光子產品大多是將數位交換晶片與光收發模組（Transceiver）利用先進封裝包裝在一起，就是使用我們前面所說的 CPO（Co-Packaged Optics）的方式來商品化，但這種產品仍有能耗與體積的問題，未來採用「矽光子單晶片」才能真正達到短小節能的目標，矽光子技術可以提供高速、節能的整合解決方案，從而徹底改變資料中心、人工智慧、電信、感測和成像以及生物醫學應用等行業。

宜特科技長期觀察半導體產業趨勢，我們認為儘管矽光子技術存在整合和設備製造相關的挑戰，相信各家大廠仍會持續加速研發腳步，在全球共同努力下，突破摩爾定律關鍵技術的誕生終將指日可待。

本文出自 宜特科技。

參考文獻：

• [1] Daniel Benedikovic*, Léopold Virot, Guy Aubin, Jean-Michel Hartmann, Farah Amar, Xavier Le Roux, Carlos Alonso-Ramos, Éric Cassan, Delphine Marris-Morini, Jean-Marc Fédéli, Frédéric Boeuf, Bertrand Szelag and Laurent Vivien, “Silicon–germanium receivers for short-wave-infrared optoelectronics and communications”, Nano-photonics 2021; 10(3): 1059–1079
• [2] -[8] J. Nxumalo, Y. Wang, M. Iwatake, C. Molella, A. Katnani, J. Orcutt, J. Ayala, K. Nummy, “Characterizing junction profiles in Ge photodetectors using scanning capacitance microscopy (SCM) and electron holography”, 978-1-5386-4513-0/18 ©2018 IEEE