矽光子的技術突破－從中興通訊面臨的困局談起

中興通訊(ZTE)被美國宣布制裁後，多家中興的美國供應商名字浮現在新聞，較為人熟悉的是半導體供應商如英特爾(Intel)、高通(Qualcomm)、美光(Micron)等和軟體供應商如Google，較不為人知悉的如Lumentum、Oclaro(Lumentum在3月併購Oclaro)和Acacia，後面的這一群多是光通訊零件和模組廠商。

手機半導體的停止供貨中興所受的影響較小，一方面手機佔中興的營收只有3成，而且供應的來源不是只此一家。但是光通訊元件斷貨的傷害影響較大：它佔業績6成，而且有些先進光通訊元件難以替代。這的確是中興的軟肋，也是大陸除傳統半導體以外的一個技術大缺口。

Oclaro和Acacia都有photonics的產品，而在此次制裁風波股價受傷最慘重的Acacia，最重視的先進技術研發就是silicon photonics－以前提過的矽光子。這是未來邁向5G與AI的關鍵技術。

大量數據的長距傳遞，過去已用光訊號依賴光纖送至建築物中的數據機，再轉換為電訊號。未來要走的路是光訊號直接進入終端機器、甚至到記憶或處理晶片。這需要將photonics的元件與CMOS密切的整合在一起。

但過去photonics元件種類繁雜，使用的材料也多樣；先進製程中的矽晶或TBFD-SOI(Thin Body Fully Depleted-Silicon On Insulator)又太薄(20nm)，恐有漏光之虞，二者整合難度甚高。

2015年IBM發布了矽光子的進展，正式開啟了此技術競賽的序幕。最近矽光子的突破在於以複晶矽(polycrystalline silicon)沉積於氧化矽之上[1]，做為光子元件的基材，複晶矽的光學傳遞損失很小，而氧化矽不透光，有絕緣作用。

此複晶矽製程步驟是在閘極形成之後，源極與汲極形成之前，因為光子元件的製程過程有高熱，選在此階段插入製程可以避免高熱製程對源極與汲極特性的影響。整個光子元件只需要幾層光罩，與CMOS製程非常契合。

用65nm的製程上與幾百萬個電晶體整合入波導、共振器、高速光學模組、雪崩光學探測器(avalanche photodetector)等，成功用於每秒10Gb的高速資料傳遞與處理。

近10年的經濟由網路平台公司以及其基礎建設公司所主導，由於其對於應用的話語權，以及其豐富的經濟資源，也開始將手伸進半導體產業，自行設計其核心業務或核心能力所需的半導體元件。

Google的TPU就是一個鮮明的例子。這是在人工智慧的領域，如果還有下一個領域，我猜是矽光子，特別在美國對中興實施制裁之後。

[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)