台灣在2018年正式啟動矽光子專案研究計畫，選定五項深具潛力的應用研發計畫，經過兩年的發展，成果逐漸顯現，協助國內產業在矽光子積體電路的技術發展與產業應用之路上，邁出成功的第一步。
科技產業利用光與電技術發展的歷史相去不遠，然而拜半導體技術所賜，電成為近年技術應用與發展的主軸；光子積體電路(Photonic Integrated Circuits, PICs)使用光子來傳輸與處理訊號，相關的構想其實早在1970年代就被提出，不過後來發展較好的是現在人們較為熟悉的光通訊、光顯示與光儲存，如光纖、LCD顯示技術、光碟等產業。
相較於電的積體電路，矽光子(Silicon Photonics)技術由於可實現高速光電轉換、傳輸與光譜訊號處理等功能，並具備大幅縮減模組尺寸、降低功率消耗和成本、提高可靠度等顯著優勢，其應用包括光通訊的光收發模組擴展至先進光感測系統(國防、航太、能源、交通、醫藥)、物聯網、量子運算與生物醫學領域。台灣在2018年正式啟動矽光子專案研究型計畫，選定五項深具潛力的應用研發計畫，經過兩年的發展，成果逐漸顯現，協助國內產業在矽光子積體電路的技術發展與產業應用之路上，邁出成功的第一步。
在台灣建立光電積體電路產業鏈
台灣半導體積體電路製造與元件封裝能力領先全球，有利於發展光子積體電路技術及其商品化，「矽光子積體電路專案計畫」由科技部補助，整合學界研發能量與資源、國家晶片中心之多計畫晶片、國家奈米實驗室的製程服務、工研院的封裝與量測服務以及晶圓廠之製程服務，研究發展以矽光子積體電路技術為基礎之系統應用光電晶片，以達成技術實用性及具產業應用潛力為主要目標(圖1)。計畫總主持人台科大電子工程系講座教授李三良(圖2)指出，矽光子逐漸朝產業化發展，許多領域應用方興未艾，台灣應該利用半導體產業的優勢，建立光電積體電路的IC設計模式與製造生態鏈。
圖1 矽光子積體電路專案計畫整合產、官、學、研界多方資源
圖2 台科大電子工程系講座教授李三良指出，台灣應該利用半導體產業的優勢，建立光電積體電路的IC設計模式與製造生態鏈
專案計畫規畫四年期，前二年完成核心技術開發與系統晶片架構設計，第三年完成系統晶片製作與性能優化，第四年完成系統展示並能將技術與廠商進行後續之應用與推廣(圖3)。李三良提到，經過兩年的開發，已經有多個團隊完成矽光子晶片的投片(Tape Out)，而計畫本身原來也設有淘汰機制，如果開發進度不如預期，第三、第四年的計畫可能就無法繼續執行；但結果五個計畫皆達到預定的目標，因此最後科技部與計畫辦公室在期中審查之後，決定不淘汰任何一個計畫，讓所有計畫都能繼續三年的研究期程。
圖3 矽光子積體電路專案計畫透過階段性的技術開發，希望協助台灣建立光電積體電路產業鏈
矽光子積體電路專案計畫長程目標則包括：提升光電晶片設計能力、發展光電IC設計產業、建立光電系統晶片核心技術、建立矽光子IC領域完整研發生態鏈、建立矽光子晶片製造平台。李三良進一步說明，從2020年到2021年的第三年，希望各計畫都能完成核心晶片的研發與投片，最後一年可以進行系統應用展示，透過計畫的研發投入，在台灣也建立像矽半導體一樣的電路設計、晶圓製造/封裝、晶片測試產業鏈。
矽光子晶片材料/封裝/測試待突破
矽半導體屬於電的應用，光電半導體重點在光，每個矽光子系統化元件都需要產生獨立光源，李三良解釋，矽光子晶片的各項主被動元件在積體化的過程中都可以轉換成矽製程，唯獨發光元件沒辦法，因為矽是非直接能隙半導體，材料結構上導電帶與價電帶沒有對齊，光電轉換效率不佳，不能當成光源。一般而言，磷化銦(InP)較常被作為矽光子晶片的光源材料，因其具備較高的光電轉換效率、電子遷移率、工作溫度以及抗輻射能力。
所以在其他電路用矽半導體製程完成後，再將光源與電路結合，此中另一個技術關鍵就在封裝與測試層面，李三良指出，矽光子晶片是光與電的結合，所以訊號傳輸比矽晶片更加複雜，甚至有透過不同波長以容納更多訊息傳輸的模式，需要以精準的封裝讓光的進出與光在電路中的傳輸更為順暢，元件對位精度甚至要比一般半導體封裝提升10倍。
矽光子晶片封裝的難度高，占晶片成本的6~7成，與傳統矽晶片封裝相較，難度與方法都大異其趣，國內封測廠還需要時間發展這類技術能力，另外傳統光電元件的封裝廠商又不具半導體技術背景，所以矽光子晶片封裝成為目前製程的瓶頸。歐洲如荷蘭、德國掌握先進的技術，因此計畫辦公室也積極與歐美廠商進行合作，希望可以導入前瞻的封裝技術與設備。
目前產業界對矽光子的投入，分別是半導體領域與光通訊領域的業者較為積極，但矽光子積體電路同時需要兩個領域的技術能力，而且積體化之後因為製程微縮的關係，精度需求大為提升，半導體產業擅長微縮但卻沒有光電元件的經驗，光電產業具備元件技術，但對於微縮又缺乏經驗，兩個領域都需要更多技術研發的時間。
培育種子人才與發展產業化契機
另外，矽光子積體電路要形成產業，還有幾個關鍵的要素，人才亦是另一個重點，五個矽光子專案計畫，參與的研究人員有限，但在四年發展過程中，希望可以為台灣培育此領域的種子型人才，尤其是光電積體電路的設計與封裝測試人才。矽半導體產業經過多年來的發展，逐漸營造成目前成功的模式，便是由應用推動，技術再去開發，透過市場需求驅動技術與產業的前進，矽光子積體電路計畫就是希望為這樣的良性循環點火。
矽半導體技術多半來自電子技術的應用，矽光子積體電路則需要同時應用到光與電的技術，以現在學校的教育與產業的分工狀況來看，屬於跨領域的技術開發，這類型的人才更是鳳毛麟角。其他技術支援的周邊，如電路設計模擬軟體與設備，都還在早期發展階段，必須靠更多人才的投入與市場需求的推動來發展，台灣憑藉領先的半導體製造產業，同時也有較其他國家或地區更有優勢的部分。
而五項計畫經過四年的研發後，若能順利產業化，就能為台灣矽光子積體電路的產業鏈發展提供更好的契機，李三良表示，1.6T光收發器、矽光子光載毫米波天線模組、400G/s矽晶光電同調收發模組、微型化戰術級光纖級陀螺儀與矽光子快速多模組醫學檢測等技術，在目前的開發進度下，都極具商業價值，也同時與總計超過20家業界廠商合作當中，產學互動非常頻繁，相信未來推動產業化的前景相當樂觀。
而2020下半年，計畫辦公室將協助五個開發計畫投片，將不同計畫的元件集中在同一個晶圓，加速矽光子積體電路裸晶的生產，預計將從現階段的一年縮短為六個月，讓研究計畫有更多時間調整設計瑕疵，也希望可以增加投片試產的次數，展望兩年後，若五個矽光子晶片計畫可以為台灣的矽光子產業鏈啟動發展，便是此計畫最有價值的成果。李三良認為，在完成這個階段之後，下一個階段的投資重點，則應該以矽光子積體電路的封裝測試技術為方向。