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單晶堆疊的高速矽光子晶片

  • 林育中

圖為矽光子晶圓。Ehsanshahoseini

儘管英特爾(Intel)在2019年開始銷售一系列以矽光子製作的收發器(transceiver),矽光子元件的銷售額也逐漸上升,但是矽光子在半導體產業中的設計和製造比預期中的進度要緩慢,其中最主要的挑戰來自於光子和電子元件的有效緊緻整合。

雖說矽晶上可以同時製作電子和光子兩種元件,但是2種元件存在巨大的尺度差異。當電子元件已走進奈米尺度,光子元件卻必須停留在微米尺度,這是受限於矽材料中光的特性:矽對光透明的波段在短波長紅外線(short wavelength infrared),最常用的光是1550nm,所以製程要兼顧2種元件的經濟效益和功能很難。兼之電子器件會發熱,做在光子器件旁邊會透過熱光效應影響光子元件的功能和表現。

另外,雷射光源過去也是個問題。矽沒有直接帶隙(direct band gap),無法做成雷射光源,得另找材料做光源,譬如磷化銦(InP)等。所以目前的矽光子元件多以異構整合的方式來整合光子晶片、光源和電子晶片。但是這樣的整合方式因為晶片之間以連線為之,速度還沒有發揮到極致。

但是矽光子還是有來自需求面的壓力,目前的收發器每個通道速率在100Gbps之譜,不久的將來需求會再上攀一兩個數量級,到Tbps以上,高效能計算晶片內、資料中心的機器間也有傳輸速率快速提升的需求。

有一支在光子學內的次學門plasmonics(等離子體學)最近也浮上台面,並且用半導體尖端技術展現了優異的效能。等離子(plasma)是中國大陸的術語,台灣以前叫電漿,最早時是用在溫度極高、所有原分子都解離成離子狀態的稱呼。在光子學中,當然不可能用這種極端狀態的材料。Plasmon是指物質中電子的密度波(density wave)所形成的虛擬粒子—一種物質的暫存集體狀態,它能和電子、光子發生作用,因此可以當成光子元件的材料。

Plasmon的材料可以是金屬(譬如金、銀、銅等)、重摻雜(heavily doped)半導體、半導體等,連最近的材料顯學二維材料石墨烯、二硫化鉬等都可以做為plasmon材料,這與目前先進製程的趨勢相符。Plasmon的等離子頻率(plasma frequency)與材料中電荷載子的密度根號成正比,因此頻率可以通過材料選擇或摻雜濃度來調控,頻率從遠紅外到可見光以上都有。當plasmon材料與介電質堆疊形成介面,在介面上會形成侷限在介面的plasmon,這就是光子學中使用的surface plasmon。

除了頻率可以調控、因此波長可以調低外,另外surface plasmon可以被光激發,但其傳播不會受原光子波長繞射極限(diffraction limit)的拘束,可以在短於波長的狀況下運作。這使得用plasmon製作的光子元件得以大幅縮小。

最近展示的plasmon光子元件是這樣製作的:一個半導體層,負責電子元件。由於考慮到未來快速操作的需求,此處用的是速度比CMOS快的BiCMOS,因此材料是SiGe。另一層是金屬層,負責光子元件。與光子、電子交互作用的surface plasmon就存在於這兩者之間的介面上。由於是用plasmon製作的光子元件,面積縮小很多,與電子元件層的面積沒有不匹配的問題。光子層與電子層之間的連接是透過TSV,因此速度比用異構整合的連線快很多。現在在這樣單一晶片上的資料傳輸速率可達100Gbps,但是往上提高的空間還很大。

幾個觀察:三維單晶堆疊(3D monolithic stacking)原來是與異構整合一樣是用來增加半導體經濟價值的新方法,但是由於工序比較困難,實施的日程原先預計較晚,但是新工程方法卻在新產品類別先找到突破口。另外,材料科學在未來的半導體製程開發中,角色越來越重要。在plasmon性能、成本、半導體製程相容性中,你選擇哪一種材料做plasmon?你AI、甚至量子計算了沒?

現為DIGITIMES顧問,1988年獲物理學博士學位,任教於中央大學,後轉往科技產業發展。曾任茂德科技董事及副總、普天茂德科技總經理、康帝科技總經理等職位。曾於 Taiwan Semicon 任諮詢委員,主持黃光論壇。2001~2002 獲選為台灣半導體產業協會監事、監事長。現在於台大物理系訪問研究,主要研究領域為自旋電子學相關物質及機制的基礎研究。