單晶堆疊的高速矽光子晶片

雖說矽晶上可以同時製作電子和光子兩種元件，但是2種元件存在巨大的尺度差異。當電子元件已走進奈米尺度，光子元件卻必須停留在微米尺度，這是受限於矽材料中光的特性：矽對光透明的波段在短波長紅外線(short wavelength infrared)，最常用的光是1550nm，所以製程要兼顧2種元件的經濟效益和功能很難。兼之電子器件會發熱，做在光子器件旁邊會透過熱光效應影響光子元件的功能和表現。

另外，雷射光源過去也是個問題。矽沒有直接帶隙(direct band gap)，無法做成雷射光源，得另找材料做光源，譬如磷化銦(InP)等。所以目前的矽光子元件多以異構整合的方式來整合光子晶片、光源和電子晶片。但是這樣的整合方式因為晶片之間以連線為之，速度還沒有發揮到極致。

但是矽光子還是有來自需求面的壓力，目前的收發器每個通道速率在100Gbps之譜，不久的將來需求會再上攀一兩個數量級，到Tbps以上，高效能計算晶片內、資料中心的機器間也有傳輸速率快速提升的需求。

有一支在光子學內的次學門plasmonics(等離子體學)最近也浮上台面，並且用半導體尖端技術展現了優異的效能。等離子(plasma)是中國大陸的術語，台灣以前叫電漿，最早時是用在溫度極高、所有原分子都解離成離子狀態的稱呼。在光子學中，當然不可能用這種極端狀態的材料。Plasmon是指物質中電子的密度波(density wave)所形成的虛擬粒子—一種物質的暫存集體狀態，它能和電子、光子發生作用，因此可以當成光子元件的材料。

Plasmon的材料可以是金屬(譬如金、銀、銅等)、重摻雜(heavily doped)半導體、半導體等，連最近的材料顯學二維材料石墨烯、二硫化鉬等都可以做為plasmon材料，這與目前先進製程的趨勢相符。Plasmon的等離子頻率(plasma frequency)與材料中電荷載子的密度根號成正比，因此頻率可以通過材料選擇或摻雜濃度來調控，頻率從遠紅外到可見光以上都有。當plasmon材料與介電質堆疊形成介面，在介面上會形成侷限在介面的plasmon，這就是光子學中使用的surface plasmon。

除了頻率可以調控、因此波長可以調低外，另外surface plasmon可以被光激發，但其傳播不會受原光子波長繞射極限(diffraction limit)的拘束，可以在短於波長的狀況下運作。這使得用plasmon製作的光子元件得以大幅縮小。

最近展示的plasmon光子元件是這樣製作的：一個半導體層，負責電子元件。由於考慮到未來快速操作的需求，此處用的是速度比CMOS快的BiCMOS，因此材料是SiGe。另一層是金屬層，負責光子元件。與光子、電子交互作用的surface plasmon就存在於這兩者之間的介面上。由於是用plasmon製作的光子元件，面積縮小很多，與電子元件層的面積沒有不匹配的問題。光子層與電子層之間的連接是透過TSV，因此速度比用異構整合的連線快很多。現在在這樣單一晶片上的資料傳輸速率可達100Gbps，但是往上提高的空間還很大。

幾個觀察：三維單晶堆疊(3D monolithic stacking)原來是與異構整合一樣是用來增加半導體經濟價值的新方法，但是由於工序比較困難，實施的日程原先預計較晚，但是新工程方法卻在新產品類別先找到突破口。另外，材料科學在未來的半導體製程開發中，角色越來越重要。在plasmon性能、成本、半導體製程相容性中，你選擇哪一種材料做plasmon？你AI、甚至量子計算了沒？