矽光子的技术突破－从中兴通讯面临的困局谈起

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，过去已用光信号依赖光纤送至建筑物中的基带，再转换为电信号。未来要走的路是光信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密切的整合在一起。

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，二者整合难度甚高。

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整合入波导、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的高速数据传递与处理。

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)