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单晶堆叠的高速矽光子芯片

  • 林育中

图为矽光子晶圆。Ehsanshahoseini

尽管英特尔(Intel)在2019年开始销售一系列以矽光子制作的收发器(transceiver),矽光子元件的销售额也逐渐上升,但是矽光子在半导体产业中的设计和制造比预期中的进度要缓慢,其中最主要的挑战来自于光子和电子元件的有效紧致集成。

虽说矽晶上可以同时制作电子和光子两种元件,但是2种元件存在巨大的尺度差异。当电子元件已走进纳米尺度,光子元件却必须停留在微米尺度,这是受限于矽材料中光的特性:矽对光透明的波段在短波长红外线(short wavelength infrared),最常用的光是1550nm,所以制程要兼顾2种元件的经济效益和功能很难。兼之电子器件会发热,做在光子器件旁边会透过热光效应影响光子元件的功能和表现。

另外,雷射光源过去也是个问题。矽没有直接带隙(direct band gap),无法做成雷射光源,得另找材料做光源,譬如磷化铟(InP)等。所以目前的矽光子元件多以异构集成的方式来集成光子芯片、光源和电子芯片。但是这样的集成方式因为芯片之间以联机为之,速度还没有发挥到极致。

但是矽光子还是有来自需求面的压力,目前的收发器每个通道速率在100Gbps之谱,不久的将来需求会再上攀一两个数量级,到Tbps以上,高效能计算芯片内、资料中心的机器间也有传输速率快速提升的需求。

有一支在光子学内的次学门plasmonics(等离子体学)最近也浮上台面,并且用半导体尖端技术展现了优异的效能。等离子(plasma)是中国大陆的术语,台湾以前叫电浆,最早时是用在温度极高、所有原分子都解离成离子状态的称呼。在光子学中,当然不可能用这种极端状态的材料。Plasmon是指物质中电子的密度波(density wave)所形成的虚拟粒子—一种物质的缓存集体状态,它能和电子、光子发生作用,因此可以当成光子元件的材料。

Plasmon的材料可以是金属(譬如金、银、铜等)、重掺杂(heavily doped)半导体、半导体等,连最近的材料显学二维材料石墨烯、二硫化钼等都可以做为plasmon材料,这与目前先进制程的趋势相符。Plasmon的等离子频率(plasma frequency)与材料中电荷载子的密度根号成正比,因此频率可以通过材料选择或掺杂浓度来调控,频率从远红外到可见光以上都有。当plasmon材料与介电质堆叠形成接口,在接口上会形成局限在接口的plasmon,这就是光子学中使用的surface plasmon。

除了频率可以调控、因此波长可以调低外,另外surface plasmon可以被光激发,但其传播不会受原光子波长绕射极限(diffraction limit)的拘束,可以在短于波长的状况下运行。这使得用plasmon制作的光子元件得以大幅缩小。

最近展示的plasmon光子元件是这样制作的:一个半导体层,负责电子元件。由于考虑到未来快速操作的需求,此处用的是速度比CMOS快的BiCMOS,因此材料是SiGe。另一层是金属层,负责光子元件。与光子、电子交互作用的surface plasmon就存在于这两者之间的接口上。由于是用plasmon制作的光子元件,面积缩小很多,与电子元件层的面积没有不匹配的问题。光子层与电子层之间的连接是透过TSV,因此速度比用异构集成的联机快很多。现在在这样单一芯片上的资料传输速率可达100Gbps,但是往上提高的空间还很大。

几个观察:三维单晶堆叠(3D monolithic stacking)原来是与异构集成一样是用来增加半导体经济价值的新方法,但是由于工序比较困难,实施的日程原先预计较晚,但是新工程方法却在新产品类别先找到突破口。另外,材料科学在未来的半导体制程开发中,角色越来越重要。在plasmon性能、成本、半导体制程兼容性中,你选择哪里一种材料做plasmon?你AI、甚至量子计算了没?

现为DIGITIMES顾问,1988年获物理学博士学位,任教于中央大学,后转往科技产业发展。曾任茂德科技董事及副总、普天茂德科技总经理、康帝科技总经理等职位。曾于 Taiwan Semicon 任咨询委员,主持黄光论坛。2001~2002 获选为台湾半导体产业协会监事、监事长。现在于台大物理系访问研究,主要研究领域为自旋电子学相关物质及机制的基础研究。