耳熟能詳的矽晶片，說穿了就是極大量電路的集合體，以矽為材料製成的積體電路，設計與製程已經非常成熟，在電路這條賽道不斷邁進。然而近年受到矚目的矽光子（Si photonics, SiPh）晶片，則為我們開闢了一條嶄新的光路，能實現人們想像中，那個 AI、量子電腦等科技百花齊放的未來。身為全球半導體製造重鎮的臺灣，也被捲進新一波的浪潮，踏上追逐矽光子的賽道。
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矽光子性質有別於電子，晶片材料也必須作出相應調整。另一種思路則是使用不同材料，例如用磷化銦取代矽作為平臺，但是每種材料各有優缺點，適合不一樣的用途。為了達成特定需求，結合不同材料優點的「異質整合」，是欲登峰造極的必經之路 。
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從矽到矽光子，完善的矽基生態系
矽光子即所謂「積體光路」（photonic integrated circuits, PIC）。國立中央大學光電科學與工程學系的陳彥宏教授指出，相較於電子，光子具有高傳輸速率、高頻寬、高訊息密度、高調制速度及高效能等優勢，以積體光路執行光學通訊、運算、感測等功能，有望在摩爾定律漸趨失效下，解決處理速度與頻寬不足的問題，應用於通訊、AI、資料中心、高效能運算等領域。
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我們都知道矽晶片是現今半導體的主流，但國立清華大學電機工程學系的李明昌教授解釋，天然元素中，不只矽可以製作半導體，「鍺」也行，只是不如矽穩定。另外，也能人工合成「三五族」化合物，但成本也相對高昂。現有材料中，矽的成本相對較低，氧化物更加穩定，也是電的絕緣體，因此順理成章脫穎而出，成為半導體產業的主要材料。
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<div class="jsx-3968805167 absolute w-full left-0 bottom-0 p-4 text-white text-[13px]" style="background: rgba(0, 0, 0, 0.66); display: block; line-height: normal;">用矽製作矽光子晶片，最大優勢在於已經具有完整之產業「生態系」 ，其他材料則缺乏此一優勢。不過仍可透過異質整合，結合不同材料的優點，達成各種產品的需求。</div>
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用矽製造矽光子晶片，最大優勢在於，矽晶片產業的既有製程都可以直接沿用，又能隨著矽晶片製程不斷突破。例如，矽晶片原本是 3 奈米製程，矽光子晶片也能採取 3 奈米製程製造；一旦進化為 2 奈米製程，矽光子晶片也跟著進化為 2 奈米製程。
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但「製程」不是一條簡單的生產線，更涉及環環相扣的供應鏈。小小一塊晶片，就是全球化的縮影。李明昌教授形容，非常龐大的矽晶片產業就像一個「生態系」，包括材料端、設計開發商、供應鏈、電子元件、光學元件、晶片製造、晶片封裝等不同角色。矽晶片早已演化出成熟的完整生態系，一間公司可以只參與一部分，專精於一項擅長的角色即可生存。
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不同公司各自精進獨特優勢，合力貢獻所長，讓矽晶片能越做越小，整合更多功能。以往，積體光學產品往往是一家公司從頭到尾自己完成。好在趨勢也漸漸隨積體電路的模式演變：開發商著重於晶片設計，後續的製程、封裝交給別家廠商。原先單打獨鬥的矽光子晶片加入矽的生態系，不但能壓低成本，也加快開發速度。
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矽基生態系的延伸：氮化矽
在矽的基礎上，目前還有另一種應用較多的材料「氮化矽」（silicon nitride, SiN）。它的絕大多數條件與矽相同，所以矽晶片的設計、製程、封裝，換成氮化矽都能直接套用。如果有不同需求，也能與矽輕易整合，兩者相輔相成。總之，氮化矽也屬於矽晶片的龐大生態系。
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同樣以矽為基底，氮化矽有些性質變化。它和絕緣層之間的折射率落差更小，光學訊號傳遞（波導）的損耗更低。假如產品想避免光子損耗，氮化矽就是首選。另外，由於折射係數小，製作精準度的要求較低。氮化矽對溫度的敏感度也較低，更能承受溫度變化。
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李明昌教授補充，矽和氮化矽還有一差別在於「非線性光學」─將一個波長的光，轉成另一個波長或多個波長。矽進行這類操作時會嚴重吸收光，因此只能以氮化矽為材料，其性質適合用於打造各種光感測器等「被動元件」。市場一旦有需求，價格也能壓低。
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尚不足以形成生態系：磷化銦
矽基材料再好用，用於矽光子晶片時卻有一大弱點：本身無法發光。正因如此，矽光子晶片通常須外接雷射光源。相較之下，另一類材料「磷化銦」（indium phosphide, InP）則具備發光與整合光源的優勢。
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磷化銦屬於「三五族」，也就是三族元素鋁（Al）、鎵（Ga）、銦（In），以及五族元素氮（N）、磷（P）、砷（As）、銻（Sb）結合，並經由人工合成的化合物。藉由選擇不同的化合物組成，能演繹出不同的性質。磷化銦是優秀的半導體材料，適合作為整合光路的材料平臺，可惜至今使用規模依然受限。李明昌教授指出，磷化銦由於缺乏自己的「生態系」，以致成本居高不下。
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昂貴的產品，假如很多人使用，大量製造不就能降價嗎？問題沒這麼簡單！ 將磷化銦製成晶片，要經歷「磊晶 」過程，也就是在晶片基底層上長出新結晶，可以想像為「半導體上長出另一個半導體」。三五族化合物雖然可以結合主動發光材料，克服矽基的先天劣勢，但三五族的磊晶，不如矽這類單晶材料容易，成本難以降低；也使得磷化銦的良率遠不如矽，材料穩定性不佳。
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磷化銦另一弱點在於傳輸光的損耗較多。這是因為矽和氮化矽的外面容易被氧化物包覆，形成絕緣層，其間的折射率落差，能有效將光限制在特定範圍內，不至於外溢而損耗。但磷化銦沒有氧化物包裹，缺乏類似減少損耗的機制。李明昌教授譬喻，就像把光纖線折得太過頭，會使得光纖漏光。矽由於不太會「漏光」，可以承受較大的彎曲半徑，設計時也帶來更多可能性。
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結合不同材料揚長補短：異質整合
不同材料各有優缺點，難道不能這個也選，那個也不放棄，組合不同材料揚長補短嗎？陳彥宏教授表示，這就是「異質整合」的意義！若是無法靠矽或單一半導體材料達成目標，便需要結合不同材料，整合於一個平臺上。
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李明昌教授說明，異質整合是相對於「同質整合」的概念，不同元件假如可以透過同一個製程一次做完，便是同質整合。可是有時候功能不同的元件，技術上無法用一個製程安置於同一塊晶片上，勢必要分開製作，再加以整合（例如製造矽晶片時，要整合GPU 運算模組和記憶體）。事實上，整合不見得非得都要集中於一塊晶片，妥善堆疊不同晶片，也是異質整合的靈活作法。
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矽光子材料們各有優缺點。陳彥宏教授舉例，矽基平臺由於非線性光學機制不佳，多用於製造被動元件。另一類材料「鈮酸鋰」（LiNbO3）卻有高度的非線性光學效應，可謂操縱光電轉換的理想光電材料，適合製造主動元件，恰好與矽基材料互補。前面提到的磷化銦等三五族材料則適合用於光源與偵測器。
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矽光子可用的矽、鈮酸鋰、三五族等材料，具有不同結構與特性，也就是「異質」性。硬是整合於一體，要考慮穩固、損耗、特性改變等問題。陳彥宏教授形容，異質整合就像融合不同種族的人在一個地方融洽生活，並不容易。但是一旦整合成功，就能克服傳統電子訊號技術的瓶頸，以更高速、更寬頻、更低功耗的方式處理及傳輸資料。
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矽光子的異質整合，常見使用封裝技術克服難關，這也是台積電領先全球的絕技之一。例如「共同封裝光學」（co-packaged optics, CPO），將積體電路與積體光路安裝在同一基板上。把光學模組整合到積體電路晶片旁邊，能縮短電子訊號傳輸路徑，降低延遲與功耗。
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發展矽光子產業：不同專業、人才、機構的「異質整合」
要能夠源源不絕供應優質的矽光子成品，才能滿足當今 AI、資料中心對高速傳輸的無盡需求。事實上，矽光子並非一個領域，想有所突破，需要跨領域的專業各自發揮所長，也可以想像為「不同專業的異質整合」。
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陳彥宏教授認為，臺灣目前在半導體領域投入龐大資源的成果優越。但是隨著光子時代來臨，應重塑以光學與光電為核心的競爭力。臺灣學術界必須積極與世界標竿機構，進行學術合作及人才交流。也要擴大產學合作，協助產業界提升競爭力。國家可以積極鼓勵產業界，投入矽光子積體電路研發、矽光子晶片製造、整合、封裝等面向，形成產業聚落，憑藉臺灣現今世界級的半導體製造實力，在矽光子領域前進。
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李明昌教授坦言，光看矽光子領域，臺灣對所需人才的培養已經落後，目前正在急起直追。人盡皆知臺灣半導體產業十分優秀，但是優勢主要在後端的製造和封裝，往往等客戶有需求才會努力投入，卻不太重視在前端嘗試新東西 。因此矽光子即使已經存在 20 多年，依然要等到近年客戶大增，才開始真正受臺灣廠商重視。幸好臺灣精湛的製程和封裝技術正是進入此領域的最大籌碼；在將成熟概念轉化為高品質「產品」的商業化能力上，臺灣無疑掌握絕對優勢。
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（客座總編輯｜國立臺灣科技大學光電工程研究所 李三良講座教授；研究顧問團隊｜國立中央大學光電科學與工程學系陳彥宏教授、國立清華大學電機工程學系李明昌教授；責任編輯｜曹盛威、洪孟樊）