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矽光子晶片需求時點漸現

  • 林育中
得力於製程微縮的遲緩與量子通訊漸漸切入,矽光子的技術可行性已毋庸置疑。(圖片來源:Ehsanshahoseini)

矽晶電子微縮逐漸趨於緩步,眼前面臨的問題除了逼近物理尺度極限外,還有功耗發熱的大問題。逼近物理極限尺度的問題只能訴諸於材料科學的進展-譬如二維材料;另一方面,功耗發熱的問題其實困擾半導體已久,只是於今尤烈。

問題的根源在於半導體元件的運作是基於電子攜帶的電荷,而電子在金屬中運動時,遵守焦耳定律-熱耗散正比於電流的平方乘以電阻乘以時間。當製程微縮電壓難以持續下降,而功能日漸複雜,需要連結的電晶體數目龐大,在越來越長的連結金屬線(interconnect)上熱耗散益發嚴重。有人戲以核反應爐、火箭噴嘴每單位體積的功率相較,半導體晶片早已超越前二者的數量級。

解決電流熱耗散問題的有效方法之一是用電荷以外的性質-譬如電子自旋或光子-當成訊息產生、處理、傳遞、接收的工具。電子帶有自旋,現在已可以操控電子的流動讓其只有純粹的自旋流(spin current)而無電荷流(charge current),自旋流的能耗已經實驗展示只有電荷流的1/1000。而用光子當成訊息訊息載具的方法,就是現在急速發展的photonics。

用photonic來傳遞訊息有訊息量大、省能、速度快的各種好處,特別是遠距傳輸,所以它首先被應用光纖上。但是在進入終端時,會碰到幾個問題,特別是在晶片的製造上。它的元件種類繁多,如光子偵測器(PD;Photo Detector)、雷射二極體(LD;Laser Diode)、調制器(Mod;Modulator)、過濾器(filter)、隔離器(isolator)等,不像半導體是以電晶體一以貫之。Photonics的製程也複雜,因為元件組成複雜,沒辦法如半導體以CMOS製程一招半式行天下。

另外在材料選擇上,除了矽之外,還有砷化鎵、磷化銦等,這些材料都能當波導和光學元件,不過最近的製程材料歸向矽。

矽對於波長在1.2~1.6µm的光是透明的,而且與氧化矽的折射率差異很大,且與CMOS製程相容,利用半導體光刻製程,可以做很緊緻的波導,也可以做各式的光元件。但是它的量子效率(quantum efficiency)很低,也就是不能利用光電效應(photo-electric effect)將光訊號轉為電訊號,對於波長在1.2~1.6µm的光無法偵測,也沒有辦法有效的發光。

矽光子的技術可行性毋庸置疑,有一陣子,矽光子晶片即將問世的傳言甚囂塵上。但是對於商業判斷,上市時間的重要性不亞於可行性。我無法預言時間,但是有幾個因素會將這個延宕多時的技術拉近時程。一個是前述的製程微縮變得遲緩,另一個是量子通訊的漸漸切入。由於量子通訊-特別是長距的傳輸-都是以纏繞的光子為媒介,發送、接收端的光元件勢在必行。最後是AI技術的盛行,對於遠距離大量數據的傳輸需求正是方興未艾,這些都是支持矽光子的有利因素,它們有多快,矽光子就有多快!

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。