【矽光子系列】         現今半導體製程技術被認為已經逐漸逼近物理極限，於是後摩爾時代的技術發展大致有“More Moore＂、“More Than Moore＂、“Beyond Moore＂等策略方向，如圖1所示。其中“Beyond Moore＂是未來長期的策略發展重點，擬向不同維度的物理量發展，例如電子的自旋、光子或光波的各種特性，甚至量子資訊科技等。而“矽光子＂（Silicon Photonics, Si-Ph）正是半導體與光電產業如火如荼發展的“光”與“電”的整合平台，也是包括tsmc、Intel、GlobalFoundris等各大晶圓廠發展的策略重點。

圖1 半導體技術之發展方向
        顧名思義，“More Moore＂是沿著摩爾定律的路線繼續往物理極限探索，例如CPU、GPU、記憶體、邏輯晶片等仍須依循著此路線發展。“More Than Moore＂的重點是為半導體元件賦予其他功能，而不必太依賴半導體製程技術極小化發展，例如射頻（RF）、功率元件、微機電（MEMS）、感測器等。近年來熱門的3D先進封裝也被認為是“More Than Moore＂的一項。“Beyond Moore＂則意指著超越摩爾定律所預測的傳統CMOS電晶體尺寸限制的技術和方法，並引進且整合不同的物理學；這至少包括了光學（optics）、電磁學（magnetics）、光子學（photonics）、量子（quantum）、材料等。其中運用CMOS技術來整合光電子元件的矽光子（silicon photonics）是當今最重要的製程技術平台。

        所以矽光子可被歸類在“Beyond Moore＂，因為它代表了追求電晶體極小化的替代方法，並且有潛力推動計算和通訊領域的未來進步，超越了電子學領域（electronics），也超越的摩爾定律的限制。而無論“More Moore＂，或是“More Than Moore＂，或 “Beyond Moore＂等面向都是半導體、光電產業發展策略的維度。

矽光子是Beyond Moore的重要策略方向
        矽光子即利用半導體CMOS製程技術，可在晶圓上製作與整合諸多光學或電光元件，主要包括透鏡（lens）、反射鏡（mirror）、分路器（splitter）、濾光片（filter）、耦合器（coupler）、光波導（waveguide）、調變器（modulator）、光交換器（switch）、互連器（interconnet）、共振環（optical ring resonator）、干涉儀（interferometer）等，如圖2所示。這些元件分別可以操控光的焦點、行徑方向與路徑，以及分光、耦光，或讓光產生干涉等行為，以達到數據通訊、計算，或感測等目的。

        然而“光＂畢竟是一種多維度的基本粒子，其維度至少包括了波長、 頻率、振幅、偏振、方向、波前、相位、同調、色散、軌道角動量、自旋、量子態等。而矽光子技術不全然可以完全控制光波的行為，所以仍得視其應用產品，搭配與組合其他的元件或技術。由於矽材料的能隙難以發射光源，所以矽光子最需要搭配的其他元件便是近紅外光波段的雷射光源（1310 ~ 1550 nm）。這類的雷射光源需要磷化銦（InP）、砷化鎵（GaAs）或砷化銦鎵（InGaAs）等材料來實現。矽光子還得借助耦合器，將雷射光導入光波導裡面。而雷射的耦光（coupling）效率則攸關此矽光子整個元件的良莠。

圖2 矽光子擬製作及整合的光元件
        矽光子製程技術完備之後，便可以促發多項應用產品市場。基本上矽光子的功用可分為三類，分別為通訊（communication）、計算（computing）、感測（sensing）等三大功能，分別可以應用在自駕車、自動化、生物醫療、顯示、國防太空、環境偵測等應用場域。尤其現階段在AI風潮之下，矽光子正需要運用在資料中心的高速傳輸與高效能運算（HPC），以減少延遲、降低耗能。

        矽光子的感測功用則可應用在生物醫學影像，例如光學同調斷層掃描（OCT）、螢光顯微鏡等，以提高生物組織影像的解析度。同樣地，這項感測功能也可應用在環境監測，工業感測，例如化學物質的檢測、生物製藥的檢測等。此外LiDAR可採用矽光子技術，整合雷射、光路與晶片，以形成更輕薄短小的系統，與車輛、無人機、自動搬運車做搭配。

        矽光子也為未來的量子計算做鋪路，以協助量子電腦產生、操縱和檢測光的量子態，這對於量子計算和資訊安全至關重要。圖3說明矽光子之各式應用。

圖3 矽光子之應用領域與產品
        矽光子是Beyond Moore策略性的突破性技術，但仍得與其他技術做搭配，方能發揮綜效。其他的技術還包括新材料的開發，例如石墨烯等2D材料、新穎架構，例如3D封裝、共同封裝光學（CPO）等創新，以及光子學、神經形態運算等領域的進步。目標是推動計算和技術的進步，超越摩爾定律的限制。

More Moore、More Than Moore、Beyond Moore等三維策略空間
        4月時台積電（tsmc）在其所舉辦的2024北美技術論壇上揭櫫了六項技術發展項目，包括了A16、NanoFlex、N4C、CoW、矽光整合、汽車先進封裝等多項製程技術的發展趨勢。首先台積電仍遵照摩爾定律，將其製程技術推向1.6奈米，稱「TSMC A16™ Technology」，屬於More Moore路線；矽光子整合的COUPE™可屬於Beyond Moore。其他幾項的技術則可歸類為More Than Moore。

        台積電在More Moore路線上，其先進製程上獨步全球，其他晶圓廠則得在More Than Moore，或Beyond Moore方面做布局。例如Intel在矽光子技術方面就有長達十幾年的發展，並成功開發出400G的光收發模組。然而Intel在2023年11月卻將其矽光子可插拔收發器模組業務賣給了Jabil Photonics公司，以縮減開支，並號稱將把重心轉往AI所需的模組上。此外，Intel似乎是押寶在玻璃基板技術（semiconductor glass substrate），擬在未來使用玻璃基板進行先進多晶片系統級封裝（multi-chiplet system-in-packages, SiP）封裝。Intel預計2030年時玻璃基板上可以封裝一兆個電晶體。Samsung追隨Intel的路線，2026年開始生產用於高階系統級封裝的玻璃基板。

        相形之下，包括Samsung在內的韓國各大公司在矽光子的布局上顯得沉默，即韓國還沒有任何一家大公司公開宣布他們的矽光子計畫，甚至SK海力士曾表示沒有進行任何矽光子的計畫。韓國大公司沒有投資在矽光子技術的原因可能是因為他們的重點主要集中在記憶體晶片，因此較不願意投資在矽光子技術。

        GlobalFoundries則是布局矽光子最為積極的晶圓廠。前一期系列文章有提及GlobalFoundries推出了一個稱為“GF Fotonix＂矽光子製程平台，並號稱獲得諸多客戶的青睞。以色列Tower半導體公司More Than Moore與Beyond Moore的路線，專注於擴大射頻（RF）、SOI，和矽光子的產能。值得注意的是在Tower半導體所公布的第一季$3.27億美元的營收資料中，矽光子已經占有5%的比例，且預計這項營收的貢獻將持續增加。

矽光子應用產品設計與生態系之建立
        以上簡介了各家晶圓代工廠在矽光子方面的布局，以因應客戶在矽光子生產上的需求。矽光子產品的設計則掌握在應用廠商，尤其現今各家光通訊公司一一推出其矽光子光通訊產品。在今(2024)年三月的OFC展覽中，至少有imec、Marvell、Infinera、Lumentum、Ribbon等多家公司推出矽光子通訊產品，包括imec的32 channel WDM、Marvell的互連器所需的光子引擎（Photonics Engine for interconnect）、Infinera的800G同調模組、Lumentum矽光子用的1310 nm DFB雷射等。類似以上的矽光子光通訊產品將越來越多，以支持AI數據中心急遽擴張的殷切需求。

        矽光子的確為半導體產業開啟了另一個Beyond Moore的賽道，但台灣半導體產業在此賽道的競爭力不如More Moore或More Than Moore，可以保持絕對的領先優勢。另外一方面，在More Moore賽道上畢竟有其極限的終點，台灣也很難在這上面永遠保持領先優勢，故勢必得在More Moore或More Than Moore方面維持競爭力，尤其得掌握矽光子的技術優勢。

        然而即使在矽光子領域能一家獨步武林，這也非健全的產業生態系。所以在應用產品的設計、軟體、異質整合、雷射、化合物半導體、光學運算等相關產業，如何向護國神山看齊，也是個重要課題。