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矽光子芯片需求时点渐现

  • 林育中
得力于制程微缩的迟缓与量子通讯渐渐切入,矽光子的技术可行性已毋庸置疑。(图片来源:Ehsanshahoseini)

矽晶电子微缩逐渐趋于缓步,眼前面临的问题除了逼近物理尺度极限外,还有功耗发热的大问题。逼近物理极限尺度的问题只能诉诸于材料科学的进展-譬如二维材料;另一方面,功耗发热的问题其实困扰半导体已久,只是于今尤烈。

问题的根源在于半导体元件的运行是基于电子携带的电荷,而电子在金属中运动时,遵守焦耳定律-热耗散正比于电流的平方乘以电阻乘以时间。当制程微缩电压难以持续下降,而功能日渐复杂,需要连结的晶体管数目庞大,在越来越长的连结金属线(interconnect)上热耗散益发严重。有人戏以核反应堆、火箭喷嘴每单位体积的功率相较,半导体芯片早已超越前二者的数量级。

解决电流热耗散问题的有效方法之一是用电荷以外的性质-譬如电子自旋或光子-当成讯息产生、处理、传递、接收的工具。电子带有自旋,现在已可以操控电子的流动让其只有纯粹的自旋流(spin current)而无电荷流(charge current),自旋流的能耗已经实验展示只有电荷流的1/1000。而用光子当成讯息讯息载具的方法,就是现在急速发展的photonics。

用photonic来传递讯息有讯息量大、省能、速度快的各种好处,特别是远距传输,所以它首先被应用光纤上。但是在进入终端时,会碰到几个问题,特别是在芯片的制造上。它的元件种类繁多,如光子侦测器(PD;Photo Detector)、雷射二极管(LD;Laser Diode)、调制器(Mod;Modulator)、过滤器(filter)、隔离器(isolator)等,不像半导体是以晶体管一以贯之。Photonics的制程也复杂,因为元件组成复杂,没办法如半导体以CMOS制程一招半式行天下。

另外在材料选择上,除了矽之外,还有砷化镓、磷化铟等,这些材料都能当波导和光学元件,不过最近的制程材料归向矽。

矽对于波长在1.2~1.6µm的光是透明的,而且与氧化矽的折射率差异很大,且与CMOS制程兼容,利用半导体光刻制程,可以做很紧致的波导,也可以做各式的光元件。但是它的量子效率(quantum efficiency)很低,也就是不能利用光电效应(photo-electric effect)将光讯号转为电讯号,对于波长在1.2~1.6µm的光无法侦测,也没有办法有效的发光。

矽光子的技术可行性毋庸置疑,有一阵子,矽光子芯片即将问世的传言甚嚣尘上。但是对于商业判断,上市时间的重要性不亚于可行性。我无法预言时间,但是有几个因素会将这个延宕多时的技术拉近时程。一个是前述的制程微缩变得迟缓,另一个是量子通讯的渐渐切入。由于量子通讯-特别是长距的传输-都是以缠绕的光子为媒介,发送、接收端的光元件势在必行。最后是AI技术的盛行,对于远距离大量数据的传输需求正是方兴未艾,这些都是支持矽光子的有利因素,它们有多快,矽光子就有多快!

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。