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九峰山實(shí)驗(yàn)室再次在硅光子集成領(lǐng)域取得里程碑式突破性進(jìn)展。

2024年9月，實(shí)驗(yàn)室成功點(diǎn)亮集成到硅基芯片內(nèi)部的激光光源，這也是該項(xiàng)技術(shù)在國內(nèi)的首次成功實(shí)現(xiàn)。此項(xiàng)成果采用九峰山實(shí)驗(yàn)室自研異質(zhì)集成技術(shù)，經(jīng)過復(fù)雜工藝過程，在8寸SOI晶圓內(nèi)部完成了磷化銦激光器的工藝集成。該技術(shù)被業(yè)內(nèi)稱為“芯片出光”，它使用傳輸性能更好的光信號(hào)替代電信號(hào)進(jìn)行傳輸，是顛覆芯片間信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾侄?，核心目的是解決當(dāng)前芯間電信號(hào)已接近物理極限的問題。對數(shù)據(jù)中心、算力中心、CPU/GPU芯片、AI芯片等領(lǐng)域?qū)⑵鸬礁镄滦酝苿?dòng)作用。

顯微鏡下，片上光源芯片的光輸出視頻

01十年追夢

大尺寸硅晶圓內(nèi)點(diǎn)亮激光光源

基于硅基光電子集成的片上光互連，被認(rèn)為是在后摩爾時(shí)代突破集成電路技術(shù)發(fā)展所面臨的功耗、帶寬和延時(shí)等瓶頸的理想方案。而業(yè)界目前對硅光全集成平臺(tái)的開發(fā)最難的挑戰(zhàn)在于對硅光芯片的“心臟”，即能高效率發(fā)光的硅基片上光源的開發(fā)和集成上。該技術(shù)是我國光電子領(lǐng)域在國際上僅剩不多的空白環(huán)節(jié)。

九峰山實(shí)驗(yàn)室硅光工藝團(tuán)隊(duì)與合作伙伴協(xié)同攻關(guān)，在8寸硅光晶圓上異質(zhì)鍵合III-V族激光器材料外延晶粒，再進(jìn)行CMOS兼容性的片上器件制成工藝，成功解決了III-V材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與生長、材料與晶圓鍵合良率低，及異質(zhì)集成晶圓片上圖形化與刻蝕控制等難點(diǎn)。經(jīng)過近十年的追趕攻關(guān)，終成功點(diǎn)亮片內(nèi)激光，實(shí)現(xiàn)“芯片出光”。

九峰山實(shí)驗(yàn)室8寸硅基片上光源芯片晶圓

相較于傳統(tǒng)的分立封裝外置光源和FC微組裝光源，九峰山實(shí)驗(yàn)室片上光源技術(shù)能有效解決傳統(tǒng)硅光芯片耦合效率不夠高、對準(zhǔn)調(diào)節(jié)時(shí)間長、對準(zhǔn)精度不夠好的工藝問題，突破了制作成本高、尺寸大、難以大規(guī)模集成等量產(chǎn)瓶頸。

九峰山實(shí)驗(yàn)室8寸硅基片上光源芯片晶圓

02芯片光互聯(lián)

突破芯片間大數(shù)據(jù)傳輸物理瓶頸

人工智能大模型的開發(fā)和應(yīng)用、自動(dòng)駕駛、遠(yuǎn)程醫(yī)療、低延時(shí)遠(yuǎn)程通訊……未來世界對算力的需求在不斷增加。由于在單個(gè)芯片上增加晶體管密度這條路徑越來越難，于是業(yè)界開辟出新思路，將多個(gè)芯粒封裝在同一塊基板上，以提升晶體管數(shù)量。在單個(gè)封裝單元中芯粒越多，它們之間的互連就越多，數(shù)據(jù)傳輸距離也就越長，傳統(tǒng)的電互連技術(shù)迫切需要演進(jìn)升級。與電信號(hào)相比，光傳輸?shù)乃俣雀?、損耗更小、延遲更少，芯片間光互聯(lián)技術(shù)被認(rèn)為是推動(dòng)下一代信息技術(shù)革命的關(guān)鍵技術(shù)。

芯片間光互聯(lián)示意圖

隨著人類對信息傳輸和處理的要求越來越高，“摩爾定律”驅(qū)使下的傳統(tǒng)微電子技術(shù)也已經(jīng)很難解決芯片在功耗、發(fā)熱、串?dāng)_等方面出現(xiàn)的問題。而通過光電異質(zhì)集成技術(shù)可實(shí)現(xiàn)芯片間、芯片內(nèi)的光互連，將CMOS技術(shù)所具備的超大規(guī)模邏輯、超高精度制造的特性與光子技術(shù)超高速率、超低功耗的優(yōu)勢融合起來，把原本分離器件眾多的光、電元件縮小集成到一個(gè)獨(dú)立微芯片中，實(shí)現(xiàn)高集成度、低成本、高速光傳輸。光電異質(zhì)集成技術(shù)可有效解決微電子芯片目前的技術(shù)瓶頸問題，也是目前信息產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)超越摩爾技術(shù)路線的重要技術(shù)方向。