在先進計算扮演關鍵角色的矽光子面臨哪些技術挑戰？又將如何突破？

隨著矽光子技術發展朝多元面向推進，其應用領域也在持續擴大當中。除了可使用於資料中心外，矽光子晶片還可應用在例如光學雷達（LiDAR）、光纖陀螺儀、生物醫學感測、AI 系統等需要複雜光路之產品或設備。而近年當紅的量子計算，未來也是矽光子的重要發展領域之一。（本文出自國立陽明交通大學電子研究所李佩雯授團隊，經於閎康科技編修於「科技新航道 | 合作專欄」介紹「量子計算的關鍵角色！矽光子技術在先進計算的挑戰」文稿，科技新報編排為上下兩篇，此篇為下篇。）

矽光子技術應用在量子光學方面，可望促進量子計算硬體的實用化進展，解決其常溫運作的離子阱（Ion Trap）量子位元在「操控」以及「讀取」之技術瓶頸。

矽光子技術在「量子計算離子阱量子位元」的技術挑戰

矽光子元件技術的研究發展已逾三十年，最初矽光子的研發主要是針對通訊或經典計算等應用，開發的矽光連結技術（光波導、光調製器、光偵測器甚至光源等組件），著重於處理高速、高頻寬、高響應度或是高瓦數的光 / 電訊號，以供通訊應用；至於要操控或讀取離子阱量子位元的矽光子元件，則必須能夠處理低雜訊、低暗電流或是極低瓦數（少數顆光子）的近紫外線或可見光訊號，甚至必須能在低溫環境下穩定運作。以下針對離子阱量子位元應用，擇要說明矽光子元件的關鍵技術需求與技術挑戰。

可積體化的氮化矽光波導和光柵

常用來操控離子阱量子位元的雷射光源波長範圍約為 300-2000 nm，涵蓋近紫外、可見光及近紅外光譜。可惜的是，目前矽光子技術中常用的矽光波導，在紫外與可見光波段的吸光率很高，光學性質損耗大，不適用於離子阱量子位元技術。反倒是氮化矽（Si3N4）光波導在紫外-可見波長段範圍是透明、不吸光的、光學損耗低 [5,6]。

幸運的是，氮化矽是 CMOS 製程技術之中常用的絕緣層、間壁層、護層等材料，可以使用常規的化學氣相沉積（CVD）製程方法沉積之，也可依實際應用所需，微調化學氣相沉積的製程配方，調整氮化矽的化學組成（如：SixNy 甚至是 SiOxNy 薄膜）及折射係數，有助於調變氮化矽光波導的模態數目、光侷限及傳輸損耗等。

由於氮化矽光波導可以彌補矽光波導無法涵蓋的可見光（400-1000nm）波段，近年來已經成為各種實驗晶片之最佳平台，尤其是量子通訊 / 計算 [7]。

離子阱與氮化矽光波導整合於一體的離子阱量子邏輯閘可行嗎？

2020 年蘇黎世聯邦理工學院 [8] 報導，離子阱晶片與氮化矽光波導整合於一體的離子阱量子邏輯閘，是以單模光纖將 729 nm 可見光射入氮化矽光波導，傳遞給位於真空、低溫環境的離子阱晶片。

此法可以免除光學桌上光學對準、機械振動與光束點漂移的困擾，改善量子邏輯閘的保真度。但是其展示的離子阱晶片尚未與光調製器、單光子偵測器等矽光子主動元件整合，這是因為鍺或矽鍺在氮化矽膜上的結晶成核蟄伏時間很短，在氮化矽薄膜上，難以選擇磊晶成長的方法，成長高品質的單晶鍺或矽鍺薄膜，故無法再繼續製作矽光子主動元件。

雖然可以使用（1）晶圓鍵結（Wafer Bonding）的方式，在氮化矽平台上鍵結 SOI 後，再磊晶成長光主動層–鍺或是矽鍺薄膜 [13]，或仿照（2）STM、IHP 公司與多倫多大學在 SOI 平台上製作矽鍺調製器與鍺光偵測器之後，再沉積 PECVD 氮化矽膜，經 CMP 磨平後，製作頂層氮化矽光波導 [9-11]。

但是，後者提出的頂層氮化矽光波導的製程做法，甚難再繼續執行氮化矽去氫化或緻密化的高溫退火製程，無法降低氮化矽光波導內部的缺陷數。因為此舉會導致位於底部的光主動區：矽鍺與鍺磊晶薄膜的晶格鬆弛，造成光學主動元件的性能劣化。

迄今在氮化矽光平台上，單石積體整合鍺 / 矽鍺高速光調製器 [9]、高速光偵測器 [10,11]及雷射光源 [12] 的文獻報導甚少。因此，在氮化矽平台上製作光主動元件、整合光主 / 被動元件是重要的研究議題。

單光子偵測器可能成為機會

量子位元的量子態訊號非常微弱，且易受周遭環境的雜訊干擾，故需要可以直接「內置」單光子偵測器，快速、精準地就近直接讀取與偵測離子阱量子位元的少數幾顆光子數目變化。最好能直接以氮化矽光波導連結單光子偵測器與離子阱量子晶片，盡量減少收集與偵測光子的串擾，還能進一步擴展與測量大型離子阱量子位元陣列的可行性。一般而言，離子阱量子位元發射的光子波長大多是 300–500nm。但是目前技術最成熟的矽雪崩光電偵測器可偵測 850 nm 的光，無法直接偵測離子阱量子位元的狀態。

美國 NIST 研究人員使用自製的內置「超導」單光子偵測器，無需使用成像鏡頭和相機，即能以幾近完美的準確度（讀取正確率超過 99.9%）讀取鈹離子（Beryllium Ion）的量子狀態 [13]，但是「超導」單光子偵測器必須在接近絕對零度的環境才得以正常運作。

由 NIST 的報導可知，為了有效提高檢測效率及降低暗計數率，迫切需要與 CMOS 技術相容的近紫外矽基單光子偵測器。而且，需要可以單石整合氮化矽光波導 / 光柵與矽基單光子偵測器，以進一步降低耦合損耗、噪聲及擴展離子阱量子位元數量。

可積體化晶片上的光源

除了可與離子阱量子晶片整合的單光子偵測器之外，氮化矽光波導耦合的可見光源更是操控離子阱量子晶片的關鍵元件，但在矽基板上實現光源一直是矽光子技術的最大罩門。更遑論是能與氮化矽光波導整合的可見光光源，因為矽本身是間接能隙材料，發光效益非常低。

長久以來，科學家及工程師不斷地嘗試以磊晶或晶片鍵結等技術在矽晶圓上成長銦化磷或鍺等薄膜，但受限於晶格常數匹配及熱預算等限制，無法製作高結晶品質及熱穩定的發光材料。

陸續有文獻報導，使用鍺奈米結構如：量子井、量子線甚至量子點，可有效減緩在矽晶圓上成長單晶鍺薄膜的缺陷問題，尤其憑藉著量子侷限效應，在狹小的鍺量子點內，電子-電洞波函數的強烈重疊耦合大大地增進鍺量子點的光學躍遷振盪強度，破除鍺塊材材料必須嚴格遵循能量-動量（E-k）守恆的魔咒。而且，調整單一材料鍺量子點的直徑大小，還可以調變發光能隙，發射出不同波長的光，突破了必須選用不同的塊材材料來製作不同波長光源的限制。

然而，單顆量子點的發光體積小，需要置放於共振腔內。當雷射光照射量子點 / 共振腔時，藉由珀塞爾效應（Purcell Effect）可以快速增生量子點內的光激發光子數目，提高總體的發光品質因子。常用的量子點共振腔結構有光子晶體、微型碟、微型環。其中，鍺量子點置放於光子晶體雖能創造極高的發光效益與品質因子 [14]，但光子晶體腔體的結構，如：模板厚度、孔洞直徑、週期及缺陷模態或模態的結構設計複雜，且必須使用先進的電子束微影系統，來曝寫次微米級別孔洞（直徑或是週期）的光子晶體陣列。此外，量子點光子晶體雷射通常是面射型發光，不利於晶片上（On-Chip）平面整合。

相較之下，微米級別微型碟或微型環共振腔的設計與製作相對容易，且發射共平面（In-Plane）光可與相鄰的總線波導耦合，有利於晶片上的整合。

微型盤共振腔主要將光場侷限在圓盤狀光密介質之中，在微型環共振腔的邊緣，沿著圓盤碟的徑方向達成共振，產生光纖回音廊模態（Whispering Gallery Mode, WGM）。相較於光子晶體共振腔複雜的結構設計、需使用先進的電子束微影技術製作，微型盤共振腔結構在電極、波導的設計與製作更具有彈性與成本優勢。

鍺帶來的障礙與曙光

近年來歐美研究機構陸續報導，在懸浮矽、鍺、二氧化矽或氮化矽微型碟共振腔中嵌入各種（如：矽、鍺、CdSe）量子點，展示光激發微雷射（Micro Laser）。法國 CNRS-Univ. 發表了一系列論文 [15]，在砷化鎵基板上，先磊晶成長 300-nm 厚 n+- 鍺，微影蝕刻製作出懸浮鍺微型碟後，再沉積氮化矽裹覆鍺微型碟，形成伸張形變 n+-Ge 主動發光層，展示光激發鍺微雷射。然而，採用鍺在砷化鎵上（Ge-on-GaAs）的作法，甚難轉移至矽平台上。

東京都市大學提出 P-I-N 鍺量子點微型盤二極體 [16]，可以與鄰近波導耦合，以電激發光。但絕大多數量子點微型碟都是製作在 SOI 平台上，不適用於可見光光源。極需開發量子點 / 氮化矽微型碟可見光源，以順利與離子阱量子晶片整合。

李教授實驗團隊於 2022 年旗艦型 IEDM 國際會議中報導，單石整合的氮化矽波導（含：光柵耦合器與波導錐）、鍺量子點微型碟光源及光子偵測器等元件，可供近紫外—可見光的離子阱感測應用，如圖 1 所示。開發了與 CMOS 製程相容製造鍺量子點的方法，以單一步驟的選擇性氧化，可以將位於氮化矽薄膜上的微影定義複晶矽鍺柱，轉化為內崁氮化矽的鍺球狀量子點，其最重要的特色是通過 900oC 熱氧化製備而成，因此具有高溫熱穩定性的優勢，如圖 2 所示。這種本質天生的熱穩定性優勢，為鍺量子點光偵測器、光發射器開啟了能與頂部或底部氮化矽波導以漸逝波耦合的可行性。

▲ 圖1：Ge quantum-dot photodiodes and light emitter embedded in Silicon-Nitride.（Source：閎康科技）

▲ 圖2：Formation of self-organized heterostructures of capping SiO2/Ge QDs within host of Si3N4 on top of SOI as evidenced by TEM, HAADF STEM and EDS maps of elemental Ge (green), N (red), and O (white) micrographs. After P. W. Li et al., IEDM Tech. Dig. pp. 451-454 (2022). （Source：閎康科技）

從元件製造和整合的角度觀之，頂部波導耦合結構具有元件（光偵測器及光發射器）設計及三維整合材料選擇方面的靈活性，頂部波導耦合結構可免除「波導」和「基板」必須是相同材料的需求。

此自組氮化矽崁入鍺量子點陣列結構方法，提供了氮化矽微盤發光器、PIN 光偵測器與頂部或底部氮化矽波導單實整合的靈活度，與落實三維 PIC 整合的可行性。李教授實驗團隊所開發的鍺量子點製作技術，係直接運用 CMOS 製程技術，具有極佳的製程掌控性及元件設計的工程化優勢，能直接製作量子位元、單電子電晶體與光電晶體等，具有實用與產業化之可行性，有助於開拓量子計算、光連結等技術。