中國在硅光子集成領(lǐng)域取得里程碑式突破性進(jìn)展！

據(jù)“九峰山實(shí)驗(yàn)室”官方消息，2024年9月，該實(shí)驗(yàn)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(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)。

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(dòng)駕駛等技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于芯片算力的需求持續(xù)提升，但是半導(dǎo)體先進(jìn)制程工藝已經(jīng)越來越逼近物理極限，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(shí)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(jìn)封裝技術(shù)，即通過將多個(gè)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(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(jí)。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)，也被認(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。

芯片間光互聯(lián)示意圖

目前業(yè)界對(duì)硅光全集成平臺(tái)的開發(fā)最難的挑戰(zhàn)在于對(duì)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(shí)驗(yàn)室硅光工藝團(tuán)隊(duì)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(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(duì)準(zhǔn)調(diào)節(jié)時(shí)間長、對(duì)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(shí)驗(yàn)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(yùn)營。成立一年半時(shí)間，九峰山實(shí)驗(yàn)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3萬人。九峰山實(shí)驗(yàn)室在這一年時(shí)間里，還實(shí)現(xiàn)了8英寸中試線通線運(yùn)行，首批晶圓（高精密光柵）成功下線，填補(bǔ)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(shí)驗(yàn)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(yàn)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(jìn)技術(shù)。該項(xiàng)成果可實(shí)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(tái)，九峰山實(shí)驗(yàn)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(jìn)國產(chǎn)半導(dǎo)體材料、設(shè)備的驗(yàn)證工作，打造化合物半導(dǎo)體中試平臺(tái)。

在九峰山實(shí)驗(yàn)室，9000平方米的潔凈室內(nèi)，有上百個(gè)項(xiàng)目在同時(shí)運(yùn)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(shí)驗(yàn)室的助推下，實(shí)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(shí)驗(yàn)室合作開發(fā)的硅光及三代半導(dǎo)體晶圓級(jí)、芯片級(jí)、器件級(jí)封測(cè)裝備，測(cè)試精度達(dá)到微米級(jí)。

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(shí)驗(yàn)室平臺(tái)通過了中試驗(yàn)證，獲取測(cè)試報(bào)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(shí)驗(yàn)室平臺(tái)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(huì)入駐九峰山科技園區(qū)，進(jìn)一步擴(kuò)大經(jīng)營規(guī)模。

九峰山實(shí)驗(yàn)室有關(guān)負(fù)責(zé)人此前在接受媒體采訪時(shí)表示，我們希望與更多合作伙伴共同點(diǎn)亮化合物半導(dǎo)體平臺(tái)、技術(shù)、產(chǎn)業(yè)的“燈塔”，為未來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(dǎo)體技術(shù)進(jìn)步。

目前，九峰山實(shí)驗(yàn)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(xì)分領(lǐng)域龍頭企業(yè)，在存儲(chǔ)、化合物半導(dǎo)體、傳感器、先進(jìn)封裝等細(xì)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(shí)驗(yàn)室、光谷融媒體中心