中國在硅光子集成領(lǐng)域取得里程碑式突破性進(jìn)展！

據“九峰山實(shí)驗室”官方消息，2024年9月，該實(shí)驗室在硅光子集成領(lǐng)域取得里程碑式突破性進(jìn)展——成功點(diǎn)亮集成到硅基芯片內部的激光光源，這也是該項技術(shù)在國內的首次成功實(shí)現。

顯微鏡下，片上光源芯片的光輸出視頻

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

但是，在單個(gè)封裝單元中芯粒越多，它們之間的互連就越多，數據傳輸距離也就越長(cháng)，傳統的電互連技術(shù)迫切需要演進(jìn)升級。與電信號相比，光傳輸的速度更快、損耗更小、延遲更少，芯片間光互聯(lián)技術(shù)被認為是推動(dòng)下一代信息技術(shù)革命的關(guān)鍵技術(shù)，也被認為是在后摩爾時(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。

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(kāi)發(fā)最難的挑戰在于對硅光芯片的“心臟”，即能高效率發(fā)光的硅基片上光源的開(kāi)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。

此次九峰山實(shí)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(jìn)行CMOS兼容性的片上器件制成工藝，成功解決了III-V材料結構設計與生長(cháng)、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(guò)近十年的追趕攻關(guān)，終成功點(diǎn)亮片內激光，實(shí)現“芯片出光”。

九峰山實(shí)驗室8寸硅基片上光源芯片晶圓

相較于傳統的分立封裝外置光源和FC微組裝光源，九峰山實(shí)驗室片上光源技術(shù)能有效解決傳統硅光芯片耦合效率不夠高、對準調節時(shí)間長(cháng)、對準精度不夠好的工藝問(wèn)題，突破了制作成本高、尺寸大、難以大規模集成等量產(chǎn)瓶頸。

資料顯示，湖北九峰山實(shí)驗室主要聚焦于化合物半導體研發(fā)與創(chuàng )新，于2023年3月正式投入運營(yíng)。成立一年半時(shí)間，九峰山實(shí)驗室就吸引了近30家半導體鏈條企業(yè)比鄰而居，總估值超百億元，培育半導體領(lǐng)域人才超3萬(wàn)人。九峰山實(shí)驗室在這一年時(shí)間里，還實(shí)現了8英寸中試線(xiàn)通線(xiàn)運行，首批晶圓（高精密光柵）成功下線(xiàn)，填補了國內高線(xiàn)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(shí)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(shí)驗室下線(xiàn)。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(jìn)技術(shù)。該項成果可實(shí)現超低損耗、超高帶寬的高端光芯片規模制造，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，作為國內為數不多的公共、開(kāi)放、中立、共享的科研平臺，九峰山實(shí)驗室還與產(chǎn)業(yè)鏈各龍頭企業(yè)通力合作，以“用”為導向，布局開(kāi)發(fā)共性技術(shù)，推進(jìn)國產(chǎn)半導體材料、設備的驗證工作，打造化合物半導體中試平臺。

在九峰山實(shí)驗室，9000平方米的潔凈室內，有上百個(gè)項目在同時(shí)運轉：

上海邦芯半導體科技有限公司研發(fā)的刻蝕、薄膜沉積設備，在九峰山實(shí)驗室的助推下，實(shí)現多款設備的量產(chǎn)。

武漢驛天諾科技有限公司與九峰山實(shí)驗室合作開(kāi)發(fā)的硅光及三代半導體晶圓級、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體晶圓激光切割系列裝備借助九峰山實(shí)驗室平臺通過(guò)了中試驗證，獲取測試報告的設備已成功導入下游企業(yè)。

驛天諾科技有限公司董事長(cháng)單娜表示，在九峰山實(shí)驗室平臺的引薦下，公司已經(jīng)拓展了一批新客戶(hù)，獲得了一批訂單，下一步還會(huì )入駐九峰山科技園區，進(jìn)一步擴大經(jīng)營(yíng)規模。

九峰山實(shí)驗室有關(guān)負責人此前在接受媒體采訪(fǎng)時(shí)表示，我們希望與更多合作伙伴共同點(diǎn)亮化合物半導體平臺、技術(shù)、產(chǎn)業(yè)的“燈塔”，為未來(lái)3～10年的技術(shù)難題進(jìn)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(diǎn)”，拉平產(chǎn)學(xué)研融合發(fā)展的鴻溝，引領(lǐng)全球化合物半導體技術(shù)進(jìn)步。

目前，九峰山實(shí)驗室周邊已聚集了近30家化合物半導體龍頭企業(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、化合物半導體、傳感器、先進(jìn)封裝等細分領(lǐng)域打造一批創(chuàng )新產(chǎn)品，形成化合物半導體全產(chǎn)業(yè)生態(tài)。

編輯：芯智訊-浪客劍

資料來(lái)源：九峰山實(shí)驗室、光谷融媒體中心