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矽光子的技术突破-从中兴通讯面临的困局谈起

  • 林育中
矽光子是未来迈向5G与AI的关键技术,而在美国对中兴实施制裁之后,有可能成为网络平台公司跨足半导体产业的又一切入点。Intel

中兴通讯(ZTE)被美国宣布制裁后,多家中兴的美国供应商名字浮现在新闻,较为人熟悉的是半导体供应商如英特尔(Intel)、高通(Qualcomm)、美光(Micron)等和软件供应商如Google,较不为人知悉的如Lumentum、Oclaro(Lumentum在3月并购Oclaro)和Acacia,后面的这一群多是光通讯零件和模块厂商。

手机半导体的停止供货中兴所受的影响较小,一方面手机占中兴的营收只有3成,而且供应的来源不是只此一家。但是光通讯元件断货的伤害影响较大:它占业绩6成,而且有些先进光通讯元件难以替代。这的确是中兴的软肋,也是大陆除传统半导体以外的一个技术大缺口。

Oclaro和Acacia都有photonics的产品,而在此次制裁风波股价受伤最惨重的Acacia,最重视的先进技术研发就是silicon photonics-以前提过的矽光子。这是未来迈向5G与AI的关键技术。

大量数据的长距传递,过去已用光讯号依赖光纤送至建筑物中的调制解调器,再转换为电讯号。未来要走的路是光讯号直接进入终端机器、甚至到记忆或处理芯片。这需要将photonics的元件与CMOS密切的集成在一起。

但过去photonics元件种类繁杂,使用的材料也多样;先进制程中的矽晶或TBFD-SOI(Thin Body Fully Depleted-Silicon On Insulator)又太薄(20nm),恐有漏光之虞,二者集成难度甚高。

2015年IBM发布了矽光子的进展,正式开启了此技术竞赛的序幕。最近矽光子的突破在于以复晶矽(polycrystalline silicon)沉积于氧化矽之上[1],做为光子元件的基材,复晶矽的光学传递损失很小,而氧化矽不透光,有绝缘作用。

此复晶矽制程步骤是在闸极形成之后,源极与汲极形成之前,因为光子元件的制程过程有高热,选在此阶段插入制程可以避免高热制程对源极与汲极特性的影响。整个光子元件只需要几层光罩,与CMOS制程非常契合。

用65nm的制程上与几百万个晶体管集成入波导、共振器、高速光学模块、雪崩光学探测器(avalanche photodetector)等,成功用于每秒10Gb的高速资料传递与处理。

近10年的经济由网络平台公司以及其基础建设公司所主导,由于其对于应用的话语权,以及其丰富的经济资源,也开始将手伸进半导体产业,自行设计其核心业务或核心能力所需的半导体元件。

Google的TPU就是一个鲜明的例子。这是在人工智能的领域,如果还有下一个领域,我猜是矽光子,特别在美国对中兴实施制裁之后。

[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)

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。