「光」革新突破半导体极限 硅光子芯片即将上阵

「光」革新突破半导体极限 硅光子芯片即将上阵

随着半导体集成电路技术的不断发展，摩尔定律的演进已经接近物理极限。为了突破这一限制，硅光子技术应运而生。通过将光子技术与传统的CMOS工艺相结合，硅光子芯片有望实现数百倍以上的数据传输速度提升，同时降低能耗。本文将详细介绍硅光子芯片的组成、工作原理以及关键制造技术。

硅光子芯片

光通信运用的“光纤”系统，能于世界各地以每秒数万亿美元的速度传送数据，1968年贝尔实验室工程师很早就想到了。到了21世纪初发现光子技术不仅能在国与国之间做数据的传递，亦可在数据中心甚至是CPU之间，乃至于是晶片与晶片之间做数据传输。之所以采用“光”是由于玻璃(SiO2)对于光来说是透明的，不会发生干扰的现象，基本上，可以透过在SiO2中，结合能够传递电磁波的光波导(Waveguide)通路来高速地传输数据。

而硅(Si)材料的折射率(Refractive index)对比在红外线的波长下高達3.5，這也意味著，它比許多其他光學中所用的材料，更能有效地控制光的彎折或減速。一般光學傳輸的波長是1.3和1.55微米，在這兩個波段下硅材料不會吸收光线，因此光线能够直接穿透硅材料。这种相容性使硅基设备能够长距离传输大量数据，不会明显失去信号。

因此，硅光子技术透过原本CMOS硅(Si)的成熟技术，结合光子元件製程，可以使处理器核心之间的数据传输速度提高数百倍以上，且耗能更低；除了前面提到高效运算跟人工智能需求不断增加，光学雷达、生物医学传感也非常适合使用光子元件，世界前几大IC制造商都相继发表硅光子是未来IC技术的关键及趋势。

硅光子元件组成，材料以“锗”为首選

硅光子元件的基本组成是使用能将“光”转换成“电”信号的p-i-n二极管(PIN二极体)光电探测器，加上传输信号的光波导(Wave guide)与电信号转换成光子的调制器(Modulator)、耦合器(Coupler)等所组成的一个单芯片，断面的结构大致如图一所示。

图一：完整的CEA LETI硅光子单芯片平台用于结合被动和主动作用元件的横剖面示意图。

其中最关键技术即在图一最右侧PIN二极体，首选的半导体材料为锗(Ge)，因为锗具有准直接能隙(Quasi-Direct band gap)且仅有0.8eV小于光子能量，另外对于光的吸收系数很高更适合用于光电探测器，是一种非常好的替代材料。

PIN是由一组高掺杂P (p+)型区和N (n+)型区之间夹着一层本征(Intrinsic)区所组成。在负偏压下二极体的空乏宽度 (Wd)会扩展至整个本征层。如图二下能带结构所示，当入射到本征层中的光子被吸收后，于导电和价电带间产生电子-电洞对的漂移而形成电流。在硅光子元件的研发中最重要的方向，就是在不影响常规CMOS元件的特性下透过调整光电探测器PIN的制程，且能使效能与频宽达到最佳化。

图二：PIN二极体与负偏压下受光效应产生的能带结构示意图。

如何辨别Ge-PIN的品质？

先以图三简单说明一颗单芯片的设计，Ge-PIN光电探测器与Si-光波导的相对位置，(a)图为剖面结构示意图，光波导位于本征层下方，(b)图为正面Layout。

图三：光子元件中PIN探测器与光波导之(a)剖面结构相对位置图，(b)为正面Layout。

因为Ge-PIN的品质差异会影响探测器的光电效能，Ge的外延制程与Si之间会有晶格不匹配与离子植入产生的缺陷影响品质，图四是Ge-PIN透过穿透式电子显微镜(TEM)的观察，可以明显看出在本征层(Intrinsic)与P区均呈现亮区，代表没有明显缺陷，反观在右侧的N区则呈现暗灰色，这应该是源自于离子植入制程所产生晶格缺陷。

图四：TEM观察Ge-PIN的断面结构影像。

此外，透过能量色散X射线光谱(EDS)来分析波导中的Si是否有朝向Ge-PIN扩散的情形。图五为Ge层中沿著波导方向Si的含量分布。Si 摩尔百分比从接触窗(Window)最高约35%，向输入侧减少至低于EDS检测极限的2%，约是在11mm的位置处，表示发生明显的扩散现象。

图五：EDS分析从接触窗（0mm）到光电探测器的输入端（15mm）Si的分布。

如何观察影响光电探测器效能空乏区宽度的大小？

硅光子元件主要制程是CMOS，透过扫描电容显微镜(SCM)的分析技术可以测量PIN在不同制程条件下，观察在本征层中空乏区宽度(Wd)的变化，图六说明经由SCM二维载子分布图(Mapping)影像以及从一维载子线分布(Line Profile)，分别能区分P/N接面(Junction)的位置与Wd的示意图。

图六：PIN的断面SCM 2D 载子mapping 影像与1D line profile。

图七：在图三(B)中x3位置的断面SCM (a)2D mapping影像与(b)1D Line profile。

在图三中X3与X4两位置区域的剖面SCM一维载子分布的结果于图八中，可以量得p/n接面位置偏移了约215nm(两虚线间距)。上述都是透过SCM，可观测出空乏区宽度(Wd)的变化，而空乏区的宽度决定电流流过的多寡，将会直接影响到元件品质与性能。

图八：SCM一维载子分布图显示X3和 X4两位置之间的p/n 接面位置的偏移。

本文中谈到离子植入产生的晶格缺陷或是硅波导朝向本征层扩散现象，以及N/P掺杂扩散速率的差异影响Wd宽度等，这些要素皆决定了硅光子元件的品质，都是目前研发单芯片硅光子制程技术，所需面对的课题。

此外，在设计Waveguide材料或形状，以及其他相关制程的研發中，均可藉由奈米材料分析技术如TEM、EDS與SCM等，宜特科技拥有大量材料分析实战经验，可以提供客户有效的浓度分布的数据分析，并以此依据改善研发制程细节。

事实上，现有相关硅光子产品大多是将数字交换芯片与光收发模组(Transceiver)利用先进封装包装在一起，称为共同封装光學(CPO, Co-Packaged Optics)的方式商品化，这种产品仍有耗能与体积大的问题，未来采用“硅光子单芯片”能真正达到短小节能的目标，该技术可以提供高速、节能的整合解决方案，从而彻底改变资料中心、人工智能、电信、感测和成像以及生物医学应用等产业。

硅光子技术虽然存在整合和设备制造相关的挑战，但相信各家大厂仍会持续加速研发脚步，在全球共同努力下，突破摩尔定律关键技术的诞生终将指日可待。