中國在硅光子集成領(lǐng)域取得里程碑式突破！

芯智訊|Core Zhixun|

2024-10-26 18:31:07 559

據(jù)“九峰山實驗室”官方消息，2024年9月，該實驗室在硅光子集成領(lǐng)域取得里程碑式突破性進展——成功點亮集成到硅基芯片內(nèi)部的激光光源，這也是該項技術(shù)在國內(nèi)的*成功實現(xiàn)。

顯微鏡下，片上光源芯片的光輸出視頻

隨著人工智能大模型的開發(fā)和應(yīng)用，以及自動駕駛等技術(shù)的發(fā)展，對于芯片算力的需求持續(xù)提升，但是半導(dǎo)體先進制程工藝已經(jīng)越來越逼近物理極限，在單個芯片上增加晶體管密度這條路徑越來越難，每一代制程的提升所能夠帶來的性能提升或功耗降低也越來越有限，同時還帶來成本的急劇上升，這也意味著摩爾定律無法繼續(xù)發(fā)揮作用。為此，不少半導(dǎo)體廠商將目光轉(zhuǎn)向了先進封裝技術(shù)，即通過將多個芯粒封裝在同一塊基板上，以提升晶體管數(shù)量，從而提高性能。

但是，在單個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)迫切需要演進升級。與電信號相比，光傳輸?shù)乃俣雀臁p耗更小、延遲更少，芯片間光互聯(lián)技術(shù)被認(rèn)為是推動下一代信息技術(shù)革命的關(guān)鍵技術(shù)，也被認(rèn)為是在后摩爾時代突破集成電路技術(shù)發(fā)展所面臨的功耗、帶寬和延時等瓶頸的理想方案。

芯片間光互聯(lián)示意圖

目前業(yè)界對硅光全集成平臺的開發(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)。

此次九峰山實驗室硅光工藝團隊與合作伙伴協(xié)同攻關(guān)，成功在8英寸硅光晶圓上異質(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。經(jīng)過近十年的追趕攻關(guān)，終成功點亮片內(nèi)激光，實現(xiàn)“芯片出光”。

九峰山實驗室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，九峰山實驗室片上光源技術(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。

資料顯示，湖北九峰山實驗室主要聚焦于化合物半導(dǎo)體研發(fā)與創(chuàng)新，于2023年3月正式投入運營。成立一年半時間，九峰山實驗室就吸引了近30家半導(dǎo)體鏈條企業(yè)比鄰而居，總估值超百億元，培育半導(dǎo)體領(lǐng)域人才超3*。九峰山實驗室在這一年時間里，還實現(xiàn)了8英寸中試線通線運行，首批晶圓（高精密光柵）成功下線，填補了國內(nèi)高線密度、超高折射率、非周期性高精密光柵生產(chǎn)工藝空白。

2024年2月20日，九峰山實驗室宣布全球首片8英寸硅光薄膜鈮酸鋰光電集成晶圓成功在該實驗室下線。該成果使用8英寸SOI硅光晶圓鍵合8寸鈮酸鋰晶圓，單片集成光電收發(fā)功能，為目前全球硅基化合物光電集成最先進技術(shù)。該項成果可實現(xiàn)超低損耗、超高帶寬的高端光芯片規(guī)模制造，為目前全球綜合性能最優(yōu)的光電集成芯片。

除自身不斷創(chuàng)新突破外，作為國內(nèi)為數(shù)不多的公共、開放、中立、共享的科研平臺，九峰山實驗室還與產(chǎn)業(yè)鏈各龍頭企業(yè)通力合作，以“用”為導(dǎo)向，布局開發(fā)共性技術(shù)，推進國產(chǎn)半導(dǎo)體材料、設(shè)備的驗證工作，打造化合物半導(dǎo)體中試平臺。

在九峰山實驗室，9000平方米的潔凈室內(nèi)，有上百個項目在同時運轉(zhuǎn)：

上海邦芯半導(dǎo)體科技有限公司研發(fā)的刻蝕、薄膜沉積設(shè)備，在九峰山實驗室的助推下，實現(xiàn)多款設(shè)備的量產(chǎn)。

武漢驛天諾科技有限公司與九峰山實驗室合作開發(fā)的硅光及三代半導(dǎo)體晶圓級、芯片級、器件級封測裝備，測試精度達到微米級。

華工科技研制的首套高端半導(dǎo)體晶圓激光切割系列裝備借助九峰山實驗室平臺通過了中試驗證，獲取測試報告的設(shè)備已成功導(dǎo)入下游企業(yè)。

驛天諾科技有限公司董事長單娜表示，在九峰山實驗室平臺的引薦下，公司已經(jīng)拓展了一批新客戶，獲得了一批訂單，下一步還會入駐九峰山科技園區(qū)，進一步擴大經(jīng)營規(guī)模。

九峰山實驗室有關(guān)負(fù)責(zé)人此前在接受媒體采訪時表示，我們希望與更多合作伙伴共同點亮化合物半導(dǎo)體平臺、技術(shù)、產(chǎn)業(yè)的“燈塔”，為未來3～10年的技術(shù)難題進行前沿探索和技術(shù)攻關(guān)，打通全產(chǎn)業(yè)鏈條中的“斷點”，拉平產(chǎn)學(xué)研融合發(fā)展的鴻溝，引領(lǐng)全球化合物半導(dǎo)體技術(shù)進步。

目前，九峰山實驗室周邊已聚集了近30家化合物半導(dǎo)體龍頭企業(yè)和創(chuàng)新型中小企業(yè)，到2025年，這里將聚集產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)100家以上，培育1到2家細分領(lǐng)域龍頭企業(yè)，在存儲、化合物半導(dǎo)體、傳感器、先進封裝等細分領(lǐng)域打造一批創(chuàng)新產(chǎn)品，形成化合物半導(dǎo)體全產(chǎn)業(yè)生態(tài)。

編輯：芯智訊-浪客劍

資料來源：九峰山實驗室、光谷融媒體中心

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