【積體光路系列一】當積體電路走到極限的時候,不如試試看積體「光路」吧!

■利用鍺發光的半導體雷射是否會是積體光路的關鍵技術之一呢?

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Credit: Forschungszentrum Jülich

撰文|方程毅

積體電路是一個當代人再熟悉不過的名詞,我們能享受這麼便捷又高科技的生活跟近幾十年積體電路的發展脫不了關係。積體電路就是利用半導體製程在矽晶圓上製作出非常微小的邏輯電路,讓電子能夠在晶片裡傳輸訊號或進行運算。積體電路的好處三天三夜也說不完,但用電子傳輸訊號在速度及頻寬上終究有其極限,目前人類科技已經可以看到這條道路的盡頭(雖然還沒走到,但總要未雨綢繆),因此研發下一世代的新技術可以說是勢在必行。

目前學界及業界的普遍共識就是利用光來做訊號傳輸及運算,光跟電比起來可承載的頻寬更寬、資料傳輸的速度也更快(一般認為資料傳輸速率超過10Gb/s就是光占優勢了)。利用光傳輸資料各位讀者一定不陌生,光纖傳輸大家一定都聽過,但光纖畢竟是大尺度、長距離的傳輸,要像積體電路一般,把光路像電路一般整合到晶片上,就不是一件容易的事了。

幸運的是,積體光路依然是利用矽晶圓(通常光學通訊傳輸波長為1310nm及1550nm,矽對這兩個波段都是透明無吸收的,因此可以用來傳送光子),人類在矽工業上發展這麼久的經驗及知識都可以延續到積體光路上,光路上的收發器(transceiver)、調變器(modulator)、放大器(amplifier)或偵測器等等(detector)都可以利用現有且相當成熟的半導體製程技術製造出來,但有一樣不行……

那就是最重要的光源!

用光傳輸資料,想必就需要光源,而光源來自半導體雷射。矽雖然有數不清的優點但因為矽是間接能隙(indirect band gap),所以天生沒有辦法作為雷射材料,現今發展中的半導體雷射大多為三五族化合物,例如InGaAsP或AlGaAs等等,這些三五族的化合物不僅製備成本高,而且也難以整合進以矽為主的半導體製程中。因此如何能製造出以四族元素為主的雷射一直是困擾學界及業界的大難題。

為了解決這個問題,位於德國Jülich's Peter Grünberg Institute的Detlev Grützmacher教授率領的實驗室最近成功研發出一種新型雷射,其主要材料為鍺(Ge)及錫(Sn),這兩者矽皆同為四族元素,因此比三五族化合物更容易整合至矽半導體製程工業中。

之所以說鍺較容易與矽整合正是因為兩者同為四族元素,鍺可以利用化學氣相成積(Chemical vapor deposition, CVD)的技術在矽晶圓上生長,且晶格常數及熱膨脹係數也比較接近,而三五族化合物卻要利用晶圓對準及接合(wafer bonding)或磊晶技術(epitaxial growth)才能跟矽整合,成本高,難度也高。就算利用這些技術成功將三五族化合物整合到矽晶圓上,也常常因為兩者之間的熱膨脹係數差異太大而減低雷射的壽命。

其實鍺本身跟矽一樣都是間接能隙無法發光,但在扭曲其晶格導入應變(strain)之後便可轉為直接能隙(direct band gap),直接能隙是能否產生雷射的最重要關鍵。Detlev Grützmacher教授便是將錫參雜進鍺中,使鍺轉成直接能隙,由於同樣都是四族元素,因此錫在鍺中的濃度可以高達12.5%。主要進行實驗的博士生Richard Geiger表示:「有能力將超過10%錫參雜進鍺中且同時保持鍺的光學特性,我們是世界上第一個。」這項研究也被刊登在知名期刊Nature Photonics上並獲得《Phys.org》網站報導。雖然這項研究相當具突破性,但目前的雷射測量只是在90K的低溫下進行,這款新型雷射還沒有辦法在室溫正常運作。此外,要將雷射應用在訊號傳輸必須仰賴電激發(electrically pumping),目前這款雷射也只在光激發(optically pumping)的階段。因此距離實際應用還有很長的一段路要走。

但可以預見的是:利用光做為資料傳輸,並將尺寸縮小到晶片等級是未來無可避免的趨勢,許多大公司及知名大學像IBM、貝爾實驗室及加州柏克萊大學等等都投入許多資源進行相關的技術開發,或許在這裏面很多細節或專有名詞不那麼淺顯易懂,但能抓住這個大方向就已經很足夠了,或許未來的20年台灣的半導體產業就會因為這個趨勢產生翻天覆地的變化。

原始論文:Wirths, S., R. Geiger, N. von den Driesch, G. Mussler, T. Stoica, S. Mantl, Z. Ikonic et al. "Lasing in direct-bandgap GeSn alloy grown on Si." Nature Photonics (2015).
參考資料及圖片出處:Scientists construct the first germanium-tin semiconductor laser for silicon chips

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作者:方程毅 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

 

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