矽光子技術已成為半導體產業的關鍵研發核心，若能將處理光訊號的光波導元件整合到矽晶片上，同時處理電訊號和光訊號，便可達到縮小元件尺寸、減少耗能、降低成本的目標。
2020年Intel就已提出矽光子將是先進封裝技術的發展關鍵，如今四年過去，矽光子技術已真正成為半導體產業的關鍵研發核心，並預計兩年後將完成整合正式上陣。面對這次的「電」去「光」來新革命，業界廠商需要做足準備。
隨著半導體積體電路技術的不斷發展，產業見證了摩爾定律的演進。元件尺寸的微縮和新材料的應用，都是為了提高單位面積內的元件數量，以加速IC的運算速度，同時改善散熱效能和節省能源。然而，隨著元件尺寸的微縮接近物理極限，製程技術面臨挑戰，良率問題也隨之浮現。
因應這一挑戰，專家開始探索將不同功能的IC集合成單一晶片、採用3D堆疊封裝技術等新途徑。但這些技術的核心，仍然是用金屬線連接各個元件。自從晶片問世以來，電子一直是主要的訊號傳輸媒介，它的傳輸速度直接決定了晶片的性能。近年來高效能運算(HPC)、人工智慧(AI)、雲端數據等應用爆炸性成長，產業將目光轉向可以突破限制，實現更高效能的光子傳輸技術，期望藉由導入更快速的光訊號傳輸，加快元件的運作。
矽光子逐步普及
目前光通訊元件常用的矽光子(Silicon photonics, SiPh)，是結合電子與光子的技術，是將光路微縮成一小片晶片，利用光波導在晶片內傳輸光信號。若能將處理光訊號的光波導元件整合到矽晶片上，同時處理電訊號和光訊號，便可達到縮小元件尺寸、減少耗能、降低成本的目標，但目前矽光子仍有許多技術難題需克服。
光通訊運用的光纖系統，能在世界各地以每秒數萬億bit的速度傳送數據，1968年貝爾實驗室工程師很早就想到了。到了21世紀初發現光子技術不僅能在國與國之間傳遞數據，亦可在資料中心、CPU之間，或是在晶片與晶片之間傳輸數據。光之所以可以傳輸數據，是因為玻璃(SiO2)對於光來說是透明的，不會發生干擾的現象。基本上，光學通訊可以透過在SiO2中，結合能夠傳遞電磁波的光波導(Waveguide)通路來高速地傳輸數據。
而矽(Si)材料的折射率(Refractive Index)對比在紅外線的波長下高達3.5，這也意謂著它比其他光學技術所用的材料，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，在這兩個波段下矽材料不會吸收光線，因此光線能夠直接穿透矽材料。這種相容性使矽基設備能夠長距離傳輸大量數據，不會明顯失去訊號。
因此，矽光子技術透過原本CMOS矽的成熟技術，結合光子元件製程，可以使處理器核心之間的資料傳輸速度提高數百倍以上，且耗能更低。除了前面提到HPC與AI的應用需求不斷增加，光學雷達、生醫感測也非常適合使用光子元件。世界前幾大IC製造商都相繼發表矽光子，是未來IC技術的關鍵及趨勢。
矽光子元件材料首選鍺
矽光子元件的基本組成是使用能將「光」轉換成「電」訊號的PIN二極體(PIN Diode)光電偵測器，加上傳輸訊號的光波導(Wave Guide)與電訊號轉成光子的調變器(Modulator)、耦合器(Coupler)等所組合成的一個單晶片，斷面的結構大致如圖1所示。其中最關鍵的製造技術即在圖1最右側PIN二極體，首選的半導體材料為鍺(Ge)。因為鍺具有準直接能隙(Quasi-Direct Band Gap)，且僅有0.8eV小於光子能量。另外對於光的吸收係數很高更適合用於光電偵測器，是一種非常好的取代材料。
圖1 完整的CEA LETI矽光子單晶片平台用於結合被動和主動作用元件的橫剖面示意圖[1]