【積體光路系列十二】積體光路的摩爾定律

■Intel的創辦人Gordon Moore在1965年神預測:「積體電路晶片上的電路數目,每隔18個月就會增加一倍。」積體光路是否會有相同的趨勢呢?

撰文|方程毅

台灣身為半導體代工王國,對摩爾定律想必不陌生,近二三十年,電子元件容量跟速度的快速增長,正是來自於1965年的一句話。然而,積體電路終究有其極限,光學晶片很可能是下一個世代的接棒者。積體光路未來若想循著類似摩爾定路的腳步前進,能否如積體電路一般標準化、規模化便是發展關鍵,本文將簡單介紹光學晶片生產的關鍵所在及發展近況。

●基本架構不同

積體電路及光路的目標雖然類似:通訊、運算及儲存等,但工作原理卻不甚相同,兩者的基本組成架構有所差異。積體電路主要是由電晶體(Transistor)、電阻(Resistor)跟電容(Capacitor)構成;積體光路由放大器(Optical Amplifier)、相位調變器(Phase modulator)及偏振轉換器(Polarization converter)構成。積體電路的元件大家很熟悉,但光路的元件便難以想像。由此可知,從電轉成光,雖然概念類似,但元件設計上的差異,使得電子元件的成功經驗難以直接轉移,必須開發新設計新製程。

●材料不同

積體電路的材料為矽晶圓,利用半導體製程技術進行參雜、微影、蝕刻或鍍膜以製成晶片。積體光路的製造過程相近,但主體材料必須使用三五族的InP(磷化銦)晶圓,原因我們在<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>曾經提到:矽無法發光。而三五族材料在用於通訊的光波長(1550nm)是很好的發光材料。(InP晶圓是目前學業界普遍的共識,至於我們以前在積體光路系列介紹三五族以外的其他材料,距離整合及商業化又更遠了。)

積體電路所使用的半導體材料就是矽,頂多進行參雜形成p或n型。但積體光路使用InP晶圓上還必須疊上三元(InGaAs)甚至四元化合物(InGaAsP),藉由改變能隙(band gap)使其具有不同功能。這使得晶圓設計的變化更多更複雜,製造門檻也比矽晶圓高,也比矽晶圓更難整合及統一。

●各自為政

正因為元件及材料都較矽晶圓複雜,所以在發展初期沒有統一規格,不同實驗室或研究單位各自研發,雖然有許多漂亮的成果,但大家都有自己的製造及量測方式,根本兜不在一起。

●解決之道?

架構不同造成研發成本過高、材料獨特性使製造成本過高、研究單位獨立造成整合成本過高。這些問題並不是積體光路獨有,積體電路的成功告訴我們:只要有統一規格且大量生產的代工廠,便可大副降低成本。

荷蘭恩荷芬理工大學(Eindhoven University of Technology)的COBRA研究中心(COBRA research institute) 在2004年便開始著手發展大規模標準化量產。在此期間歐盟也大力推動積體光路的發展,截至今日已有英國的Oclaro、德國fraunhofer heinrich hertz institute以及從當年COBRA研究中心分出的SMART photonics等三家公司進行InP晶圓的接單與製造。

這三家公司發展出各式各樣積體光路的必要元件,外界可以選擇不同元件進行組合以滿足不同需求,因為元件標準化所以保證了晶片的出廠品質。

但縱使經過這麼多年的發展,目前也只能使用3吋InP晶圓進行生產(有興趣的讀者不妨查查矽晶圓可以到幾吋),要跟矽晶片競爭還差的遠。

除了三五族晶圓製程本身的統一及標準化,如何讓三五族及現行矽晶圓的製造接軌也是一重要課題,如果兩者能進一步整合,可以更加速光學晶片的發展(請參閱<積體光路系列十:曙光乍現 晶片問世?>)

●還有什麼好處?

規格統一標準化除了節省成本外,更重要的是降低了知識技能踏入門檻。通常研究光學晶片的人不可能樣樣精通,光學晶片要能運作必須要對系統有通盤的了解,但是這些人通常不太了解元件個別的設計與製造細節;而專精於元件的人通常也非系統專家。這些代工廠將元件標準化,讓晶片設計者只能從代工廠提供的元件規格中進行挑選並設計光路,再送回代工廠製造。代工廠的人負責研發元件及製造,他們不需要完全理解如何元件組合後晶片的表現。如此一來,透過專業分工使光學晶片的發展更有效率也更具競爭力。

●真的有摩爾定律嗎?

下圖是自1980年代晚期以來的元件密度演進,圖中可以清楚看到進步的趨勢,雖然數量上跟矽晶圓相差甚鉅,但畢竟這只是萌芽階段。積體光路的腳步雖緩慢,卻踏得穩健。

 

參考資料:

  1. Smit, Meint, J. J. G. M. Van der Tol, and Martin Hill. "Moore's law in photonics."Laser & Photonics Reviews 6, no. 1 (2012): 1-13.
  2. Smit, Meint, Xaveer Leijtens, Huub Ambrosius, Erwin Bente, Jos Van der Tol, Barry Smalbrugge, Tjibbe De Vries et al. "An introduction to InP-based generic integration technology."Semiconductor Science and Technology 29, no. 8 (2014): 083001.

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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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