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序言 |
矽光子 (Silicon Photonics) 是一項將光通訊技術應用於半導體積體電路的創新科技領域。矽光子晶片運作原理主要利用「光訊號」取代傳統的「電訊號」，在本質上即具備大頻寬、高運算密度、低功耗和抗干擾能力等優異特點，因此被視為實現高效運算的最佳解決方案。近年來，隨著雲端計算和人工智慧 (AI) 兩大應用市場規模迅速增長，促使矽光子技術成為全球產學界關注焦點、並取得突破性之研究進展。
Intel 是最早實現矽光子商業化應用的廠商，其早在 2012 年就已設立專屬事業部投入布局，並在 2016 年開始大規模出貨。而 2022 年 6 月，Intel 也成功展示了在矽晶片上整合控制八波長雷射陣列的先進研究成果。IBM 則是於 2012 年底時就已經開發出90 nm的奈米矽光子積體電路晶片，把光路與電路整合在單一晶片上。2017 年時，知名矽光子公司 Luxtera 宣布與晶圓代工領導廠商 TSMC 共同發展下世代的矽光子技術。此外，根據外媒報導，荷蘭政府也將投資 11 億歐元促進新一代矽光子技術企業發展，為打造下一個 ASML 作準備。Yole Developpement 估計，矽光子光模組市場將從 2018 年約 4.55 億美元成長到 2024 年約 40 億美元，年複合成長率高達 44.5%。
依據 Open AI 統計，自 2012 年起，每 3～4 個月 AI 應用的運算力需求就會翻倍。然而，當前的半導體晶片發展已逼近摩爾定律極限，無法滿足未來高效能運算之要求。而傳統的光模組也因成本過高、且體積過大，難以作規模化應用。矽光子晶片能夠在較低成本的前提下，有效提高資料中心內的電腦集群、伺服器乃至晶片間的通訊速度與效率，提供符合期待的強大運算力。2022 年 11 月時，日月光執行長吳田玉在 SEMICON TAIWAN 預告未來 4 大科技趨勢，其中一項就點名「矽光子」。而根據產業分析預測，資料中心將會是矽光子第一波應用發展的主要競爭市場，預計未來 3 年內，矽光子晶片將廣泛應用在大型資料中心的高速資訊傳輸。為了取得矽光子市場之技術領先優勢，包括 Intel、IBM、Google、Facebook、Cisco、Marvell、Huawei、Mellanox、Luxtera、Acacia、Finisar、Avago 等知名大廠，近年來皆加大相關研發投資力道與產能佈建，期能在未來的「矽光時代」位居要角。
隨著矽光子技術發展朝多元面向推進，其應用領域也在持續擴大當中。除了可使用於資料中心外，矽光子晶片還可應用在例如光學雷達 (LiDAR)、光纖陀螺儀、生物醫學感測、AI 系統等需要複雜光路之產品或設備。而近年當紅的量子計算，未來也是矽光子的重要發展領域之一。矽光子技術應用在量子光學方面，可望促進量子計算硬體的實用化進展，解決其常溫運作的離子阱 (Ion Trap) 量子位元在「操控」以及「讀取」之技術瓶頸。透過可以與離子阱量子位元晶片整合的矽光子晶片、及其周邊 CMOS 電路，不僅可消除光學元件於自由空間中的抖動、漂移、和電噪聲，且無須解決光纖過長、或複雜光學組件相互對準等問題。此對於擴充量子位元數目及提高離子阱量子位元之讀取保真度等未來發展，具有備受矚目的應用潛力。
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閎康科技於本期特別邀請了量子科技領域專家 李佩雯教授為「科技新航道｜合作專欄」撰文，全面性介紹矽光子技術在量子計算方面的關鍵應用及技術挑戰等，與讀者分享此一重要科技領域的研究進展。 |
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閎康科技研發中心處長 陳弘仁 2023/8/30
量子計算的關鍵角色！矽光子技術在先進計算的挑戰
國立陽明交通大學 電子研究所
李佩雯 教授
（本篇由李佩雯教授提供、閎康科技修編）
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矽光子技術在經典高速計算的關鍵角色 |
矽光子技術整合 20 世紀半導體科技兩個最重要的發明：CMOS 積體電路和半導體雷射，能以前瞻又成熟的矽量產技術製造之，提供多元化的功能應用，例如：5G 無線通訊、汽車、醫療，甚至是物聯網多元功能性的傳感器，如：光達 (LiDAR)、陀螺儀等[1]。矽積體光子技術倍受矚目的另一項原因是，能以光連接來彌補晶片內高度微型化金屬電連結所衍生的嚴重延遲與耗能窘境，這是因為長久以來，微縮晶片內電晶體或金屬電連結的特徵 (長 / 寬度)、提高集成密度等 Dennard Scaling 措施，已經面臨嚴峻且難以突破的物理瓶頸。即使可使用多核心處理器的平行運算來提升計算機系統的效能，但終將難以突破能源效率牆 (Energy Efficiency Wall)[2]。
理想的矽光子積體光路，是在矽平台上同質或異質整合光源、功能性傳感元件、光 / 電訊號轉換元件、光波導等，實現光互連晶片、處理器或傳感等多元模組。尤其是，將矽光子晶片與矽 CMOS 積體電路高度整合成光電混合積體晶片，可望大幅達成提升資料處理速率、降低功耗、微縮晶片面積、節省數據位元成本，以及改善可靠性[3]。
由於矽光子積體電路技術在資料中心、5G 通訊等範疇展現了具體強大的商機，引起了許多歐美公司與研究機構的興趣，如：IBM、Intel、Cisco、STM及 CEA / Leti、IMEC、AIM Photonics、IME 等，早已紛紛進行矽光子晶片的研發與技術佈局，以持續提升晶片內 (Intra-Chip) 資料處理的速度與頻寬。Google、Apple、Meta、Amazon 和 Microsoft 等公司也積極開發高效率的矽光連接技術，建置短距離資料中心內部 (850nm 雷射與多模光纖)，以及長距離資料中心之間 (1310nm 雷射與單模光纖) 的光互鏈。
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矽光子技術在「量子計算離子阱量子位元」的關鍵角色 |
矽光子技術不僅能改善傳統經典計算之運算速率、增進數據中心傳輸的效能，更可望促進量子計算硬體技術的實際發展。就得以在常溫運作的離子阱 (Ion Trap) 量子位元而言，一般多是使用光學桌上的光或微波訊號，遠端操控位於真空腔體內的離子阱量子位元[4]。在讀取離子阱量子位元的量子態訊息時，則是透過光學桌上高孔徑值透鏡聚焦到單光子偵測器。在常溫、真空的環境，驗證已達成了離子阱量子位元的功能性，為實用型的量子計算提供了樂觀的希望。但是，在擴充量子位元數目、提升實際初始化 / 操控 / 檢測量子態的保真度等方面，離子阱量子技術仍面臨許多實質技術的困難與挑戰[4]。
關於「操控」及「讀取」離子阱量子位元所需的光學元件 / 光電子元件，其技術瓶頸簡述如下：
1.需要使用射頻與直流高電壓來調控離子運動的誘捕電位，因此注入的電力勢必會耗散在誘捕電極，加熱離子阱位元，破壞量子狀態的保真度。
2.目前離子阱量子位元的運作情境是，操控及讀取的光學元件與電子電路被安置在常溫的光學桌上，而離子阱量子位元晶片則處於低溫真空腔體內，兩者以複雜的光纖與電纜連結之。礙於機械振動 / 熱噪聲及周遭環境的擾動，光學元件彼此間對準的精確度往往會遭受低頻抖動與溫度漂移等干擾，劣化了量子位元晶片長期操作的穩定性與保真度。
3.需要使用大型的高數值孔徑透鏡，來聚焦雷射光源於某一定點的單一離子，或收集來自於某特定離子自發散射的少數顆光子於單光子偵測器。但是，位於光學桌上的透鏡、雷射光及光偵測器等遭受對準與耦合噪聲 / 時間漂移等所擾，操控 / 讀取的保真度仍待改善。
綜上所述，目前可使用的光學元件如光源、光纖與單光子偵測器等，大多是放置在自由空間的光學桌上。但複雜的光學組件與光纖之間的對準及機械振動 / 熱噪聲等環境擾動，產生許多額外的雜訊源，大大限制了離子阱量子位元的數目擴充性及保真度。因此，迫切地需要研發能與離子阱量子位元晶片整合的矽光子晶片 (如：光波導、光調製器、光偵測器) 以及周邊 CMOS 電路[3]。
理想的情境是，在真空環境中，雷射光源就近以光波導直接連結離子阱量子位元，直接操控、冷卻離子阱。同時也以光波導連結單光子偵測器，就近讀取離子阱量子位元的量子態訊息後，直接輸出到 CMOS 積體電路，進行後續的訊號處理。如此一來，不僅可以消除自由空間中光學元件的抖動 / 漂移、無所不在的電噪聲，更可以免除過長的光纖及複雜的光學組件之間對準的問題，對於「擴充」量子位元數目以及「提高」離子阱量子位元的讀取保真度有莫大的助益。
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矽光子技術在「量子計算離子阱量子位元」的技術挑戰 |
矽光子元件技術的研究發展已逾三十年，最初矽光子的研發主要是針對通訊或經典計算等應用，開發的矽光連結技術 (光波導、光調製器、光偵測器甚至光源等組件)，著重於處理高速、高頻寬、高響應度或是高瓦數的光 / 電訊號，以供通訊應用；至於要操控或讀取離子阱量子位元的矽光子元件，則必須能夠處理低雜訊、低暗電流或是極低瓦數 (少數顆光子) 的近紫外線或可見光訊號，甚至必須能在低溫環境下穩定運作。以下針對離子阱量子位元應用，擇要說明矽光子元件的關鍵技術需求與技術挑戰。
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可積體化的氮化矽光波導和光柵 |
常用來操控離子阱量子位元的雷射光源波長範圍約為 300-2000 nm，涵蓋近紫外、可見光及近紅外光譜。可惜的是，目前矽光子技術中常用的矽光波導，在紫外與可見光波段的吸光率很高，光學性質損耗大，不適用於離子阱量子位元技術。反倒是氮化矽 (Si3N4) 光波導在紫外-可見波長段範圍是透明、不吸光的、光學損耗低[5,6]。幸運的是，氮化矽是 CMOS 製程技術之中常用的絕緣層、間壁層、護層等材料，可以使用常規的化學氣相沉積 (CVD) 製程方法沉積之，也可依實際應用所需，微調化學氣相沉積的製程配方，調整氮化矽的化學組成 (如：SixNy 甚至是 SiOxNy 薄膜) 及折射係數，有助於調變氮化矽光波導的模態數目、光侷限及傳輸損耗等。由於氮化矽光波導可以彌補矽光波導無法涵蓋的可見光 (400-1000nm) 波段，近年來已經成為各種實驗晶片之最佳平台，尤其是量子通訊 / 計算[7]。
2020 年蘇黎世聯邦理工學院[8]報導，離子阱晶片與氮化矽光波導整合於一體的離子阱量子邏輯閘，是以單模光纖將 729 nm 可見光射入氮化矽光波導，傳遞給位於真空、低溫環境的離子阱晶片。此法可以免除光學桌上光學對準、機械振動與光束點漂移的困擾，改善量子邏輯閘的保真度。但是其展示的離子阱晶片尚未與光調製器、單光子偵測器等矽光子主動元件整合，這是因為鍺或矽鍺在氮化矽膜上的結晶成核蟄伏時間很短，在氮化矽薄膜上，難以選擇磊晶成長的方法，成長高品質的單晶鍺或矽鍺薄膜，故無法再繼續製作矽光子主動元件。雖然可以使用 (1) 晶圓鍵結 (Wafer Bonding) 的方式，在氮化矽平台上鍵結 SOI 後，再磊晶成長光主動層–鍺或是矽鍺薄膜[13]，或仿照 (2) STM、IHP 公司與多倫多大學在 SOI 平台上製作矽鍺調製器與鍺光偵測器之後，再沉積 PECVD 氮化矽膜，經 CMP 磨平後，製作頂層氮化矽光波導[9-11]。但是，後者提出的頂層氮化矽光波導的製程做法，甚難再繼續執行氮化矽去氫化或緻密化的高溫退火製程，無法降低氮化矽光波導內部的缺陷數。因為此舉會導致位於底部的光主動區：矽鍺與鍺磊晶薄膜的晶格鬆弛，造成光學主動元件的性能劣化。迄今在氮化矽光平台上，單石積體整合鍺 / 矽鍺高速光調製器[9]、高速光偵測器[10,11]及雷射光源[12]的文獻報導甚少。因此，在氮化矽平台上製作光主動元件、整合光主 / 被動元件是重要的研究議題。
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可積體化晶片上單光子偵測器 |
量子位元的量子態訊號非常微弱，且易受周遭環境的雜訊干擾，故需要可以直接「內置」單光子偵測器，快速、精準地就近直接讀取與偵測離子阱量子位元的少數幾顆光子數目變化。最好能直接以氮化矽光波導連結單光子偵測器與離子阱量子晶片，盡量減少收集與偵測光子的串擾，還能進一步擴展與測量大型離子阱量子位元陣列的可行性。一般而言，離子阱量子位元發射的光子波長大多是 300–500nm。但是目前技術最成熟的矽雪崩光電偵測器可偵測850 nm的光，無法直接偵測離子阱量子位元的狀態。
美國 NIST 研究人員使用自製的內置「超導」單光子偵測器，無需使用成像鏡頭和相機，即能以幾近完美的準確度 (讀取正確率超過 99.9%) 讀取鈹離子 (Beryllium Ion) 的量子狀態[13]，但是「超導」單光子偵測器必須在接近絕對零度的環境才得以正常運作。由 NIST 的報導可知，為了有效提高檢測效率及降低暗計數率，迫切需要與 CMOS 技術相容的近紫外矽基單光子偵測器。而且，需要可以單石整合氮化矽光波導 / 光柵與矽基單光子偵測器，以進一步降低耦合損耗、噪聲及擴展離子阱量子位元數量。
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可積體化晶片上的光源 |
除了可與離子阱量子晶片整合的單光子偵測器之外，氮化矽光波導耦合的可見光源更是操控離子阱量子晶片的關鍵元件，但在矽基板上實現光源一直是矽光子技術的最大罩門。更遑論是能與氮化矽光波導整合的可見光光源，因為矽本身是間接能隙材料，發光效益非常低。長久以來，科學家及工程師不斷地嘗試以磊晶或晶片鍵結等技術在矽晶圓上成長銦化磷或鍺等薄膜，但受限於晶格常數匹配及熱預算等限制，無法製作高結晶品質及熱穩定的發光材料。
陸續有文獻報導，使用鍺奈米結構如：量子井、量子線甚至量子點，可有效減緩在矽晶圓上成長單晶鍺薄膜的缺陷問題，尤其憑藉著量子侷限效應，在狹小的鍺量子點內，電子-電洞波函數的強烈重疊耦合大大地增進鍺量子點的光學躍遷振盪強度，破除鍺塊材材料必須嚴格遵循能量-動量 (E-k) 守恆的魔咒。而且，調整單一材料鍺量子點的直徑大小，還可以調變發光能隙，發射出不同波長的光，突破了必須選用不同的塊材材料來製作不同波長光源的限制。然而，單顆量子點的發光體積小，需要置放於共振腔內。當雷射光照射量子點 / 共振腔時，藉由珀塞爾效應 (Purcell Effect) 可以快速增生量子點內的光激發光子數目，提高總體的發光品質因子。常用的量子點共振腔結構有光子晶體、微型碟、微型環。其中，鍺量子點置放於光子晶體雖能創造極高的發光效益與品質因子[14]，但光子晶體腔體的結構，如：模板厚度、孔洞直徑、週期及缺陷模態或模態的結構設計複雜，且必須使用先進的電子束微影系統，來曝寫次微米級別孔洞 (直徑或是週期) 的光子晶體陣列。此外，量子點光子晶體雷射通常是面射型發光，不利於晶片上 (On-Chip) 平面整合。
相較之下，微米級別微型碟或微型環共振腔的設計與製作相對容易，且發射共平面 (In-Plane) 光可與相鄰的總線波導耦合，有利於晶片上的整合。微型盤共振腔主要將光場侷限在圓盤狀光密介質之中，在微型環共振腔的邊緣，沿著圓盤碟的徑方向達成共振，產生光纖回音廊模態 (Whispering Gallery Mode, WGM)。相較於光子晶體共振腔複雜的結構設計、需使用先進的電子束微影技術製作，微型盤共振腔結構在電極、波導的設計與製作更具有彈性與成本優勢。
近年來歐美研究機構陸續報導，在懸浮矽、鍺、二氧化矽或氮化矽微型碟共振腔中嵌入各種 (如：矽、鍺、CdSe) 量子點，展示光激發微雷射 (Micro Laser)。法國 CNRS-Univ. 發表了一系列論文[15]，在砷化鎵基板上，先磊晶成長 300-nm 厚 n+- 鍺，微影蝕刻製作出懸浮鍺微型碟後，再沉積氮化矽裹覆鍺微型碟，形成伸張形變 n+-Ge 主動發光層，展示光激發鍺微雷射。然而，採用鍺在砷化鎵上 (Ge-on-GaAs) 的作法，甚難轉移至矽平台上。東京都市大學提出 P-I-N 鍺量子點微型盤二極體[16]，可以與鄰近波導耦合，以電激發光。但絕大多數量子點微型碟都是製作在 SOI 平台上，不適用於可見光光源。極需開發量子點 / 氮化矽微型碟可見光源，以順利與離子阱量子晶片整合。
李教授實驗團隊於 2022 年旗艦型 IEDM 國際會議中報導，單石整合的氮化矽波導 (含：光柵耦合器與波導錐)、鍺量子點微型碟光源及光子偵測器等元件，可供近紫外—可見光的離子阱感測應用，如圖 1 所示。開發了與 CMOS 製程相容製造鍺量子點的方法，以單一步驟的選擇性氧化，可以將位於氮化矽薄膜上的微影定義複晶矽鍺柱，轉化為內崁氮化矽的鍺球狀量子點，其最重要的特色是通過 900oC 熱氧化製備而成，因此具有高溫熱穩定性的優勢，如圖 2 所示。這種本質天生的熱穩定性優勢，為鍺量子點光偵測器、光發射器開啟了能與頂部或底部氮化矽波導以漸逝波耦合的可行性。
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圖1 Ge quantum-dot photodiodes and light emitter embedded in Silicon-Nitride. |
圖2 Formation of self-organized heterostructures of capping SiO2/Ge QDs within host of Si3N4 on top of SOI as evidenced by TEM, HAADF STEM and EDS maps of elemental Ge (green), N (red), and O (white) micrographs. After P. W. Li et al., IEDM Tech. Dig. pp. 451-454 (2022). |
從元件製造和整合的角度觀之，頂部波導耦合結構具有元件 (光偵測器及光發射器) 設計及三維整合材料選擇方面的靈活性，頂部波導耦合結構可免除「波導」和「基板」必須是相同材料的需求。此自組氮化矽崁入鍺量子點陣列結構方法，提供了氮化矽微盤發光器、PIN光偵測器與頂部或底部氮化矽波導單實整合的靈活度，與落實三維 PIC 整合的可行性。李教授實驗團隊所開發的鍺量子點製作技術，係直接運用 CMOS 製程技術，具有極佳的製程掌控性及元件設計的工程化優勢，能直接製作量子位元、單電子電晶體與光電晶體等，具有實用與產業化之可行性，有助於開拓量子計算、光連結等技術。
References：
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