21世紀是大數據和雲端運算的時代。半個世紀以來，微機電技術以摩爾定律的速度迅速發展，人們對資訊傳輸和處理的要求越來越高。隨著資料傳輸技術的發展，晶片的製造尺寸進步到10 nm以下，但隨之而來的干擾、高熱、高功耗等問題成為微機電技術的瓶頸。為了突破傳統矽光子積體化技術的限制，透過不同材料的優異光電特性，製造出真正的單晶片矽光子積體化系統，並實現半導體製程的量產，矽光子與異質整合技術將是驅動高速傳輸的關鍵力量。
技術發展過程
後摩爾時代的微機電晶片處理平台可分為優最佳化互補金屬氧化物半導體(CMOS)製程的「More Moore」平台，透過先進封裝技術實現系統級封裝的「More than Moore」平台，以及使用新材料和元件的「Beyond CMOS」平台。與「More Moore」平台對先進半導體設備和巨額投資的依賴不同，透過光電異質整合技術實現晶片間及晶片內的光連接，能有效解決微機電晶片金屬互連所帶來的帶頻寬、功耗與延遲等問題，成為現有微機電晶片的關鍵延伸。同時，多種材料的光電異質整合還可創造新一代資料傳輸設備(如矽光子晶片)，這是實現「More than Moore」和「Beyond CMOS」平台的重要光電半導體技術領域。
矽光子異質整合技術利用傳統微機電半導體製程，實現光電元件與微電子元件的單晶片整合，以開發以光子和電子作為資料載體的大規模矽基積體化異質整合。圖一為矽光子異質整合晶片的概念圖，包含光源、調變器、光波導、探測器和電路晶片。雷射器用於產生光訊號，調變器和探測器則負責發送和接收高速電訊號及光訊號。目前，矽光子異質整合技術主要依賴於矽基絕緣體(SOI)基板的製造平台，以實現探測器和調變器的單晶片異質整合。然而，由於矽的光電特性限制，矽光子積體化晶片仍面臨一些挑戰，例如無法實現高密度光源和低損耗高速光電調變器的整合。因此，近年來，充分發揮不同材料優異光電特性的矽光子異質整合技術正在迅速發展。
圖一、矽光子異質整合晶片的概念圖；資料來源：Zhou Z P. Silicon Based Optoelectronics. Beijing: Peking University Press, 2012.
國際間產學研發展情況
近十年來，矽光子異質整合的關鍵材料和元件研究受到科學界和產業界的廣泛關注，如英特爾(Intel)就投入了數十億美元用於矽光子的研究和開發、美國國防高等研究計劃署(DARPA)成立了「通用微型光學系統雷射模組(LUMOS)」專案，投資1,900萬美元研究矽基異質材料異質整合光源、日本新能源產業技術開發機構投入了22.5億日元圓用於開發高亮度、高效率的矽基雷射模組、歐盟在「Horizon 2020」中投資了262萬歐元用於開發異質矽基光源。
國際間在政府的支持下，矽光子異質整合技術發展迅速，並在學術和產業界領域取得了許多突破。
一、學術研究
- 加州大學和根特大學代表的研究機構，合作開發了具有異質整合量子阱材料的矽基雷射器。
- 哈佛大學實現了具有LiNbO3矽基鍵結的高速調變器。
Hewlett-Packard透過鍵結量子點材料製造了矽基雷射器、光調變器和探測器。 - NTT 透過將InP鍵結到SiC基板並開發透過生長異質整合的薄膜雷射器，實現108 GHz的直接調製帶頻寬，打破了世界紀錄。
- 中國科學院微系統與資訊技術研究所透過離子注入和剝離開發了多種材料的矽異質整合基板，包括SiCOI、LNOI和III-V OI，為多種材料的矽光子異質整合提供了材料平台。
- 中國中山大學、華中科技大學和浙江大學等單位利用矽基LiNbO3薄膜開發了高性能光電調變器、偏振控制器等。
- 浙江大學生產了一批矽基硫屬化合物和二維材料的矽光子異質整合元件，將矽基光電元件擴展到中紅外波段。
二、產業界
- Luxtera、Rockley Photonics和Skorpio分別展示了晶片對晶片混合整合，透過翻轉晶片進行基板上整合積體化和基板上異質整合。
- 英特爾在2016年透過鍵合進行基板上異質整合開發了100 Gbps四通道矽光子模組，已售出超過500萬個模組，成為全球唯一透過異質集成整合積體化實現量產的公司。
- Global Foundries展示了其使用基板上翻轉晶片的混合積體化技術，而與Quintessent合作開發量子點雷射的Tower Jazz計劃開發基於直接生長的異質整合技術的矽光子製程。
- Irixi基於晶片對晶片混和整合，小批量交付了密集波10通道100 Gbps模組。
- 在晶圓代工廠如Global Foundries、STMicroelectronics、Tower Jazz和台積電都有自己的矽光子生產線。
矽光子市場潛力趨勢
矽光子技術正在改變多個領域，創造廣泛的商業機會。在資料中心和電信領域，矽光子技術透過提高資料傳輸速率和降低能耗，大幅提升網路效能。此外，它在高性能計算和人工智慧中提供了高效的資料處理解決方案，並在生物醫學傳感測器和自動駕駛汽車中展現出巨大潛力。根據GII Research報告指出，2024年矽光子市場規模預估為23.8億美元，預估至2029年將達90.2億美元，並預測2024-2029年複合年成長率為30.5%，如圖二所示。
圖二、矽光子市場規模預測；資料來源：GII Research, PIDA整理，2024/10
矽光子市場主要受到幾個因素的驅動。首先是快速增成長的網路流量。隨著對高速資料傳輸需求的持續增加，資料中心和電信公司正在尋求更有效且具成本效益的解決方案來應對不斷增成長的網路流量。矽光子技術為這一挑戰提供了理想的解決方案，與傳統銅線系統相比，它能提供更快、更可靠且更具成本效益的資料傳輸。此外，各國也在推動5G和6G通訊的部署。例如，2022年8月，美國國防部啟動了三個超越5G的創新項目，其中包括創建6G技術研發中心，這可能會進一步促進電信業的成長。根據GSMA的預測，5G的全球市場滲透率將從2024年的22%增至2030年的64%。這表明，隨著網路使用者數量的增加，對提高平均下行鏈路和上行鏈路速度的投資也在不斷增加，以滿足這些需求。
結論
矽光子異質整合技術是一項革命性的技術，正迅速成為驅動高速資料傳輸和處理的核心力量。透過將光學和電子元件整合到單一晶片上，矽光子技術克服了傳統電子元件在速度和能耗方面的限制，為下一代資訊技術提供了全新的可能性。隨著技術的不斷成熟和成本的降低，矽光子技術將在未來資訊持續蓬勃發展社會中扮演越來越重要的角色。為了充分發揮矽光子技術的優勢，國內需要持續擴大研發投入，促進產學研合作，共同推動矽光子產業的發展。
此外，汽車領域會有重大成長。矽光子作為汽車領域的新興技術，將推動視覺感測器(EBS)和神經形態視覺感測器(NVS)的發展，包括自動駕駛輔助系統(ADAS)、臉部辨識系統、光達系統等汽車產品，也在不斷升級中融入矽光子技術。這些技術能提升車輛的安全性、功能性和性能。此外，矽光子系統在巡航控制中的應用帶來了諸多優勢，如提升精度、速度和效率。近年來，光學技術徹底改變了汽車產業，從傳統的照明功能拓展到成像、感測、智慧顯示和媒體通訊網路等前瞻技術領域。因此，光學技術已超越了汽車照明，並在汽車製造和品質控制領域展現了新的高度。毫無疑問，汽車產業對矽光子等創新光學技術的興趣正與日俱增。