光電科技工業協進會
2025年法國格勒諾布大學（Université Grenoble Alpes）與里昂第一大學（Université Claude Bernard Lyon 1）的研究團隊在期刊《Optics Express》上發表了一項引人矚目的成果。他們成功將中紅外（MIR）III-V族量子級聯雷射（Quantum Cascade Laser, QCL）透過分子鍵合（Molecular Bonding）整合至 矽光子平台（Silicon Photonic Platform）上，實現穩定的脈衝操作與高效率光耦合。
這項成果的關鍵在於團隊採用了高折射率對比、相位匹配的「矽氮化矽絕緣層矽基結構（SONOI, Silicon-on-Nitride-on-Insulator）」，並結合氧電漿活化的分子鍵合，使III-V活性區與矽波導間的光學耦合效率理論上超過95%。該研究展示了在矽光子平台上製作出4.3 μm紅外波段下的單模發光，其操作溫度達72°C，性能媲美傳統InP雷射。這項研究不僅突破了長時期以來III-V / Si整合的瓶頸，也象徵著異質整合（Heterogeneous Integration）技術往商業化邁進。
異質整合：矽光子進化的核心關鍵
由於矽材料本身的能矽很小，不具發光能力，因此若要有雷射光源、偵測器、放大器等主動元件，必須引入III-V族等其他不同的材料，例如InP、GaAs。所謂的異質整合正是為了打破這一道材料壁壘，讓不同的材料可以整合進相同的製程，無須再把這些不同材料的元件黏合或組裝在一起。
異質整合一直面臨著本質上各種不同材料難以彼此融合的諸多瓶頸，包括材料熱膨脹係數差異、產線上不容有其他材料的汙染、光模態不匹配等自然原理的挑戰。例如III-V材料（如InP或GaAs）與矽材之間熱膨脹差異容易導致應力累積或界面裂紋，降低整合良率。又例如異質材料須經不同蝕刻、鍍膜與金屬化合流程，難以與標準CMOS製程兼容，造成製作成本高且可靠性不足。而不同材質也會使得III-V雷射、波導與矽波導的折射率與尺寸差異極大，使得光的耦合效率低。
以上所述的材料特性之差異，也使得以矽材為基底的半導體產業，和以三五族材料為基底的光電半導體產業涇渭分明，也使異質整合在相當長的一段時間僅停留於「概念驗證」階段，距離量產仍遙不可及，且亦無市場上的強力需求。直到近年隨著矽光子成為顯學，低溫分子鍵合技術、相位匹配波導設計，和先進模擬工具的成熟，異質整合才真正進入可製造的階段。幾種磊晶與製程技術陸續被提出，包括分子鍵結、晶片黏合（chip-to-wafer / wafer-to-wafer bonding），或微轉移（micro-transfer printing）等製程，將來自不同材料系統的光電功能整合於同一平台上，使高效發光、高速調變與低損耗傳輸得以共存。
各主要研究單位的發展現況
格勒諾布大學並非是唯一一家擬將雷射整合在矽光子平台上的單位，全球知名的研究單位均戮力攻克這道異質材料整合的壁壘。例如法國的CEA-Leti開發的 InP-on-Silicon混合整合平台，可在同一晶片上整合雷射、調變器與光檢測器，實現高密度光電系統。其低溫氧電漿活化鍵合（plasma-activated bonding） 技術，能在300°C溫度環境下完成III-V材料與矽基的精密結合。該技術已推進至200mm晶圓製程，並與GlobalFoundries合作，朝向商業量產邁進。
比利時的imec也宣稱，其異質整合技術可共融多種材料（multi-material co-integration），即其所謂的μTransfer bonding的技術能將微米級的III-V晶粒，高精度轉移至矽光子晶片上，並保持高良率與高耦合效率。目前imec已展示多波長雷射陣列（multi-wavelength laser array）與主動光電互連（active photonic interconnect）技術，可應用於AI加速器與資料中心。Imec更進一步與Intel、Nokia等企業合作，建立異質整合供應鏈。
在美國麻省理工學院（MIT）與加州大學聖塔芭芭拉分校（UCSB）長期合作 III-V-on-Silicon技術開發，並在中紅外（MIR）與太赫茲（THz）領域取得顯著成果。UCSB實現了InAs/InP QCL on Si雷射鍵結節；MIT則在GaAs-on-Si混合平台上開發量子光學元件整合研究。兩校的研究成果揭示了異質整合不僅延伸了矽光子平台，更為未來的量子光子系統（Quantum Photonic Systems）與全光運算架構奠定基礎。
亞洲方面，新加坡的A*STAR（Agency for Science, Technology and Research） 與旗下Advanced Micro Foundry（AMF）相當積極發展異質整合技術。AMF已建立一條8吋CMOS相容矽光子代工線，並支援III-V-on-Si、SiN與中紅外光子模組製程。其技術特徵是合併直接黏合（direct bonding）與再構晶圓（reconstituted wafer）製程，可兼顧良率與量產性。
茲將上述各研究單位在異質整合方面的技術進展整理如下表：
這項成果的關鍵在於團隊採用了高折射率對比、相位匹配的「矽氮化矽絕緣層矽基結構（SONOI, Silicon-on-Nitride-on-Insulator）」，並結合氧電漿活化的分子鍵合，使III-V活性區與矽波導間的光學耦合效率理論上超過95%。該研究展示了在矽光子平台上製作出4.3 μm紅外波段下的單模發光，其操作溫度達72°C，性能媲美傳統InP雷射。這項研究不僅突破了長時期以來III-V / Si整合的瓶頸，也象徵著異質整合（Heterogeneous Integration）技術往商業化邁進。
異質整合：矽光子進化的核心關鍵
由於矽材料本身的能矽很小，不具發光能力，因此若要有雷射光源、偵測器、放大器等主動元件，必須引入III-V族等其他不同的材料，例如InP、GaAs。所謂的異質整合正是為了打破這一道材料壁壘，讓不同的材料可以整合進相同的製程，無須再把這些不同材料的元件黏合或組裝在一起。
異質整合一直面臨著本質上各種不同材料難以彼此融合的諸多瓶頸，包括材料熱膨脹係數差異、產線上不容有其他材料的汙染、光模態不匹配等自然原理的挑戰。例如III-V材料（如InP或GaAs）與矽材之間熱膨脹差異容易導致應力累積或界面裂紋，降低整合良率。又例如異質材料須經不同蝕刻、鍍膜與金屬化合流程，難以與標準CMOS製程兼容，造成製作成本高且可靠性不足。而不同材質也會使得III-V雷射、波導與矽波導的折射率與尺寸差異極大，使得光的耦合效率低。
以上所述的材料特性之差異，也使得以矽材為基底的半導體產業，和以三五族材料為基底的光電半導體產業涇渭分明，也使異質整合在相當長的一段時間僅停留於「概念驗證」階段，距離量產仍遙不可及，且亦無市場上的強力需求。直到近年隨著矽光子成為顯學，低溫分子鍵合技術、相位匹配波導設計，和先進模擬工具的成熟，異質整合才真正進入可製造的階段。幾種磊晶與製程技術陸續被提出，包括分子鍵結、晶片黏合（chip-to-wafer / wafer-to-wafer bonding），或微轉移（micro-transfer printing）等製程，將來自不同材料系統的光電功能整合於同一平台上，使高效發光、高速調變與低損耗傳輸得以共存。
各主要研究單位的發展現況
格勒諾布大學並非是唯一一家擬將雷射整合在矽光子平台上的單位，全球知名的研究單位均戮力攻克這道異質材料整合的壁壘。例如法國的CEA-Leti開發的 InP-on-Silicon混合整合平台，可在同一晶片上整合雷射、調變器與光檢測器，實現高密度光電系統。其低溫氧電漿活化鍵合（plasma-activated bonding） 技術，能在300°C溫度環境下完成III-V材料與矽基的精密結合。該技術已推進至200mm晶圓製程，並與GlobalFoundries合作，朝向商業量產邁進。
比利時的imec也宣稱，其異質整合技術可共融多種材料（multi-material co-integration），即其所謂的μTransfer bonding的技術能將微米級的III-V晶粒，高精度轉移至矽光子晶片上，並保持高良率與高耦合效率。目前imec已展示多波長雷射陣列（multi-wavelength laser array）與主動光電互連（active photonic interconnect）技術，可應用於AI加速器與資料中心。Imec更進一步與Intel、Nokia等企業合作，建立異質整合供應鏈。
在美國麻省理工學院（MIT）與加州大學聖塔芭芭拉分校（UCSB）長期合作 III-V-on-Silicon技術開發，並在中紅外（MIR）與太赫茲（THz）領域取得顯著成果。UCSB實現了InAs/InP QCL on Si雷射鍵結節；MIT則在GaAs-on-Si混合平台上開發量子光學元件整合研究。兩校的研究成果揭示了異質整合不僅延伸了矽光子平台，更為未來的量子光子系統（Quantum Photonic Systems）與全光運算架構奠定基礎。
亞洲方面，新加坡的A*STAR（Agency for Science, Technology and Research） 與旗下Advanced Micro Foundry（AMF）相當積極發展異質整合技術。AMF已建立一條8吋CMOS相容矽光子代工線，並支援III-V-on-Si、SiN與中紅外光子模組製程。其技術特徵是合併直接黏合（direct bonding）與再構晶圓（reconstituted wafer）製程，可兼顧良率與量產性。
茲將上述各研究單位在異質整合方面的技術進展整理如下表：
表1 全球異質整合主要研發單位與進展比較
資料來源：PIDA
異質整合是矽光子的成長之鑰
隨著人工智慧、雲端運算與高頻寬通訊的需求急速增加，異質整合技術已從學術研究轉向主流製造。根據 Yole Intelligence 與 Allied Market Research (2025) 的預測，全球異質整合市場，涵蓋晶片堆疊、3D 封裝、Chiplet、CPO（Co-Packaged Optics）在2023 年約為220億美元，預計至2030年可達650億美元以上，年複合成長率（CAGR）超過 14%。成長動能則主要來自AI晶片與高頻寬記憶體（HBM）需求暴增。
結語：矽光子只有藉由異質整合才能從被動元件躍升為主動元件
矽光子（Silicon Photonics）最大的瓶頸在於「矽本身不發光」。由於矽（Si）是間接能隙材料，其光電轉換效率極低，無法像砷化鎵（GaAs）或磷化銦（InP）等直接能隙材料一樣產生發光源，因此早期矽光子技術僅能扮演波導、濾波、分光、調變等被動光學元件的角色。這使得整體系統仍必須依賴外部的雷射或電光轉換晶片，形成架構上的分離與能量損耗。
要讓矽光子真正邁向高整合度與可擴展的運算或通訊平台，唯有藉由異質整合（Heterogeneous Integration），才能實現材料與功能的互補。異質整合技術使得不同晶格常數、能隙與熱膨脹係數的材料能在同一晶片上協同運作，將III-V族化合物（如InP、GaAs）或鍺（Ge）材料以鍵結、轉移或先進封裝的方式整合到矽基板上。如此不僅能引入主動光源與增益媒質，實現雷射、光放大器（SOA）、調變器（Modulator）與光偵測器（PD）的單晶片整合，更進一步開啟光電混合（Electro-Photonic Integration）與光電運算（Optical Computing）的可能性，讓矽光子能更上層樓。
關鍵字：雷射、矽光子、異質整合
參考資料：
[1] Quantum cascade lasers on a mid-infrared silicon photonic platform (https://www.semiconductor-today.com/news_items/2025/oct/uga-021025.shtml)