九峰山實驗室再次在硅光子集成領域取得里程碑式突破性進展。

2024年9月，實驗室成功點亮集成到硅基芯片內(nèi)部的激光光源，這也是該項技術在國內(nèi)的首次成功實現(xiàn)。此項成果采用九峰山實驗室自研異質(zhì)集成技術，經(jīng)過復雜工藝過程，在8寸SOI晶圓內(nèi)部完成了磷化銦激光器的工藝集成。該技術被業(yè)內(nèi)稱為“芯片出光”，它使用傳輸性能更好的光信號替代電信號進行傳輸，是顛覆芯片間信號數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾侄?，核心目的是解決當前芯間電信號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芯片等領域將起到革新性推動作用。

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)點亮激光光源

基于硅基光電子集成的片上光互連，被認為是在后摩爾時代突破集成電路技術發(fā)展所面臨的功耗、帶寬和延時等瓶頸的理想方案。而業(yè)界目前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。該技術是我國光電子領域在國際上僅剩不多的空白環(huán)節(jié)。

九峰山實驗室硅光工藝團隊與合作伙伴協(xié)同攻關，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、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，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能有效解決傳統(tǒng)硅光芯片耦合效率不夠高、對準調(diào)節(jié)時間長、對準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。

九峰山實驗室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)和應用、自動駕駛、遠程醫(yī)療、低延時遠程通訊……未來世界對算力的需求在不斷增加。由于在單個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，將多個芯粒封裝在同一塊基板上，以提升晶體管數(shù)量。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)的電互連技術迫切需要演進升級。與電信號相比，光傳輸?shù)乃俣雀?、損耗更小、延遲更少，芯片間光互聯(lián)技術被認為是推動下一代信息技術革命的關鍵技術。

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”驅使下的傳統(tǒng)微電子技術也已經(jīng)很難解決芯片在功耗、發(fā)熱、串擾等方面出現(xiàn)的問題。而通過光電異質(zhì)集成技術可實現(xiàn)芯片間、芯片內(nèi)的光互連，將CMOS技術所具備的超大規(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獨立微芯片中，實現(xiàn)高集成度、低成本、高速光傳輸。光電異質(zhì)集成技術可有效解決微電子芯片目前的技術瓶頸問題，也是目前信息產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)超越摩爾技術路線的重要技術方向。