单晶堆叠的高速矽光子芯片

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整合的方式来整合光子芯片、光源和电子芯片。但是这样的整合方式因为芯片之间以连线为之，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、数据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)是国内大陆的术语，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—一种物质的暂存集体状态，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界面，在界面上会形成局限在界面的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作。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界面上。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，因此速度比用异构整合的连线快很多。现在在这样单一芯片上的数据传输速率可达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)原来是与异构整合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，你选择哪一种材料做plasmon？你AI、甚至量子计算了没？