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矽光子的技術突破-從中興通訊面臨的困局談起

  • 林育中
矽光子是未來邁向5G與AI的關鍵技術,而在美國對中興實施制裁之後,有可能成為網路平台公司跨足半導體產業的又一切入點。Intel

中興通訊(ZTE)被美國宣布制裁後,多家中興的美國供應商名字浮現在新聞,較為人熟悉的是半導體供應商如英特爾(Intel)、高通(Qualcomm)、美光(Micron)等和軟體供應商如Google,較不為人知悉的如Lumentum、Oclaro(Lumentum在3月併購Oclaro)和Acacia,後面的這一群多是光通訊零件和模組廠商。

手機半導體的停止供貨中興所受的影響較小,一方面手機佔中興的營收只有3成,而且供應的來源不是只此一家。但是光通訊元件斷貨的傷害影響較大:它佔業績6成,而且有些先進光通訊元件難以替代。這的確是中興的軟肋,也是大陸除傳統半導體以外的一個技術大缺口。

Oclaro和Acacia都有photonics的產品,而在此次制裁風波股價受傷最慘重的Acacia,最重視的先進技術研發就是silicon photonics-以前提過的矽光子。這是未來邁向5G與AI的關鍵技術。

大量數據的長距傳遞,過去已用光訊號依賴光纖送至建築物中的數據機,再轉換為電訊號。未來要走的路是光訊號直接進入終端機器、甚至到記憶或處理晶片。這需要將photonics的元件與CMOS密切的整合在一起。

但過去photonics元件種類繁雜,使用的材料也多樣;先進製程中的矽晶或TBFD-SOI(Thin Body Fully Depleted-Silicon On Insulator)又太薄(20nm),恐有漏光之虞,二者整合難度甚高。

2015年IBM發布了矽光子的進展,正式開啟了此技術競賽的序幕。最近矽光子的突破在於以複晶矽(polycrystalline silicon)沉積於氧化矽之上[1],做為光子元件的基材,複晶矽的光學傳遞損失很小,而氧化矽不透光,有絕緣作用。

此複晶矽製程步驟是在閘極形成之後,源極與汲極形成之前,因為光子元件的製程過程有高熱,選在此階段插入製程可以避免高熱製程對源極與汲極特性的影響。整個光子元件只需要幾層光罩,與CMOS製程非常契合。

用65nm的製程上與幾百萬個電晶體整合入波導、共振器、高速光學模組、雪崩光學探測器(avalanche photodetector)等,成功用於每秒10Gb的高速資料傳遞與處理。

近10年的經濟由網路平台公司以及其基礎建設公司所主導,由於其對於應用的話語權,以及其豐富的經濟資源,也開始將手伸進半導體產業,自行設計其核心業務或核心能力所需的半導體元件。

Google的TPU就是一個鮮明的例子。這是在人工智慧的領域,如果還有下一個領域,我猜是矽光子,特別在美國對中興實施制裁之後。

[1]: “Integrating photonics with silicon nanoelectronics for the next generation of systems on a chip”, A.H. Atabaki, et al, Nature 556, 349–354 (2018)

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。