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部的激光光源，這也是該項技術在國內的首次成功實現。此項成果采用九峰山實驗室自研異質集成技術，經過復雜工藝過程，在8寸SOI晶圓內部完成了磷化銦激光器的工藝集成。該技術被業內稱為“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據傳輸的重要手段，核心目的是解決當前芯間電信號已接近物理極限的問題。對數據中心、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展所面臨的功耗、帶寬和延時等瓶頸的理想方案。而業界目前對硅光全集成平臺的開發最難的挑戰在于對硅光芯片的“心臟”，即能高效率發光的硅基片上光源的開發和集成上。該技術是我國光電子領域在國際上僅剩不多的空白環節。
九峰山實驗室硅光工藝團隊與合作伙伴協同攻關，在8寸硅光晶圓上異質鍵合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，及異質集成晶圓片上圖形化與刻蝕控制等難點。經過近十年的追趕攻關，終成功點亮片內激光，實現“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硅光芯片耦合效率不夠高、對準調節時間長、對準精度不夠好的工藝問題，突破了制作成本高、尺寸大、難以大規模集成等量產瓶頸。
九峰山實驗室8寸硅基片上光源芯片晶圓
02芯片光互聯
突破芯片間大數據傳輸物理瓶頸
人工智能大模型的開發和應用、自動駕駛、遠程醫療、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，以提升晶體管數量。在單個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，傳統的電互連技術迫切需要演進升級。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”驅使下的傳統微電子技術也已經很難解決芯片在功耗、發熱、串擾等方面出現的問題。而通過光電異質集成技術可實現芯片間、芯片內的光互連，將CMOS技術所具備的超大規模邏輯、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，實現高集成度、低成本、高速光傳輸。光電異質集成技術可有效解決微電子芯片目前的技術瓶頸問題，也是目前信息產業實現超越摩爾技術路線的重要技術方向。
