光通訊發展邁向 6G 萬物智慧應用，半導體電子元件功不可沒

無線通訊技術的進步改變了人類的生活方式，降低時間與空間所造成的限制，帶來了更多便利。依據行動通訊發展歷程，第六代行動通訊技術（6th Generation Mobile Communication/6th Generation Wireless Systems, 6G）的研發已經展開，預計在 2030 年開始商用，而 5G 的行動物聯網也將提升為 6G 的萬物智聯網。

6G 的目標是向全球覆蓋通訊，藉由超高頻段（~1THz）的高速傳輸（100Gbps~1Tbps）、低軌衛星（Low Earth Orbits, LEO）和高可靠度、超低延遲（Latency）的網路，解決 5G 在偏鄉地區、海洋、沙漠等地方的限制，提升網路性能，達到更大的頻寬、低延遲多連接密度，建構出虛實融合的萬物智聯世界。

6G 科技是先進國家重要的科技發展方向，而半導體材料勢必會成為 6G 的關鍵元件，例如功率放大器、陣列天線、射頻模組、高頻通訊晶片等，III-V 材料如磷化銦（InP）所製造的射頻元件有機會達到 100GHz 以上的頻率，成為 6G 頻段。比利時微電子研究中心（Interuniversity Microelectronics Centre, imec）已於 2020 年底的會議中發表，將開發 InP/CMOS 異質堆疊技術作為 6G 射頻元件。

應用於光纖通訊及高頻通訊的電子元件—— 磷化銦

身為第二代半導體的磷化銦，其高頻特性優於砷化鎵（GaAs）和矽鍺（SiGe）半導體，是研發 6G 技術之關鍵。磷化銦異質接面雙載子電晶體（InP Heterojunction Bipolar Transistors, HBTs）擁有極優的高速性能和高擊穿電壓，可用於未來光纖通訊系統，現今已用於多數超過 100 Gbit/s 速度運行的 IC 了。InP HBT 常應用在雷射二極體（Laser Diode, LD）和光電二極體（Photodiode），作為光學接收端，典型的 InP HBT 結構為磷化銦 / 砷化銦鎵 / 磷化銦（InP/InGaAs/InP），作為射極（Emitter）/ 基極（Base）/ 集極（Collector）。一般大於 1 um 的射極寬度即可滿足 5G 毫米波需要的輸出功率。

InP HBT 被視為實現太赫茲（THz）操作最有前途的技術之一，持續取得破紀錄的速度，例如 Snodgrass 等人研究的 InP/InGaAs Pseudomorphic Heterojunction Bipolar Transistor（PHBT），其結構為 12.5nm Base 和 55nm Collector，截止頻率（Transit Frequency, fT）達到 845GHz。HBTs 性能提升的研究包括透過元件持續微縮（減薄基極與集電極層）、降低發射極接觸電阻率、減少發射極和集電極結寬度等。

如何使用穿透式電子顯微鏡分析雷射二極體

雷射二極體（LD）是由半導體材料製作而成，可以透過在晶格中引入不同的雜質來改變導電率，常用於光纖通訊元件，接著將逐一介紹可用於此的材料分析技術。

具有原子解析度的穿透式電子顯微鏡（Transmission Electron Microscope, TEM）可以觀察半導體元件的層次結構，其原理是將高能量電子束投射到超薄樣品上，產生立體角散射成像，適合用來觀察樣品的精細結構。光纖通訊元件需要先透過 TEM 試樣製作技術，才適合進行 TEM 分析成像。圖一為 LD 經過逐步放大倍率的 TEM 影像圖，顯示 P 型、N 型摻雜層和多重量子井（Multiple Quantum Well, MQW）發光層的位置與層數，透過 TEM 影像對比顯示，MQW 透過採用異質結構的堆疊方式，來達到增加 LD 輻射復合的機率。

圖一　LD 的 TEM 圖

二次離子質譜儀的檢測原理（SIMS）

二次離子質譜儀（Secondary Ion Mass Spectrometry, SIMS）適合解析薄膜結構、摻雜元素濃度與製程微量汙染狀況，可以從元素濃度變化、對應的磊晶層次來了解製程問題。SIMS 原理是藉由帶有能量的入射離子轟擊待測樣品的表面而產生二次離子，其加速後進入二次離子質譜分析系統，運用電、磁場的偏轉，將離子依照不同質量分開，來達到成份分析的目的。二次離子強度經過轉換後，可得到元素的濃度，而離子轟擊時間則可轉換成雜質分佈的深度。

SIMS 具有優異的偵測極限，可量測出固體材料中的元素含量至百萬分之一以下。圖二是以 InP 為基底的 InGaAsP MQW LD 的 SIMS 分析圖，顯示結構為磷化銦 / 砷化銦鎵 / 磷化銦（InP/InGaAsP/InP），不同層之間的 Zn、Si 和 S 摻雜濃度的擴散情況會影響元件性能，除此之外，能夠清楚辨別奈米級厚度的 InGaAsP MQW 磊晶層次。

圖二　InGaAsP MQW LD 的 SIMS 圖

掃描式電容顯微鏡（SCM）應用

掃描式電容顯微鏡（Scanning Capacitance Microscopy, SCM）常應用在 IC 元件，例如功率電子元件、GBT/FRD、三級管器、雷射二極體、DRAM 元件、MOSFET，以及光電產業應用如 CMOS Image Sensor、VCSEL、光通訊元件、LED 等。SCM 可觀察二維摻雜影像，分辨出 N 型區域與 P 型區域，對於摻雜異常分佈所導致的故障及逆向工程分析相當有幫助，也能測量各區域的尺寸，例如摻雜厚度、Channel Length、Trench 摻雜深度、Source/Drain 大小、N/P Well 界面等。

SCM 分析技術可以補足其它分析技術的不足之處，例如 SIMS 與展阻分析儀（SRP）僅能呈現一維分布、SEM 搭配化學蝕刻染色之分析技術不易精確控制蝕刻率等。圖三為 LD 橫截面的 SCM 影像，能清楚辨識 LD 結構載子濃度的相對變化，以及摻雜活化的分布情況。