九峰山实验室再次在硅光子集成领域取得里程碑式突破性进展。
2024年9月，实验室成功点亮集成到硅基芯片内部的激光光源，这也是该项技术在国内的首次成功实现。此项成果采用九峰山实验室自研异质集成技术，经过复杂工艺过程，在8寸SOI晶圆内部完成了磷化铟激光器的工艺集成。该技术被业内称为“芯片出光”，它使用传输性能更好的光信号替代电信号进行传输，是颠覆芯片间信号数据传输的重要手段，核心目的是解决当前芯间电信号已接近物理极限的问题。对数据中心、算力中心、CPU/GPU芯片、AI芯片等领域将起到革新性推动作用。
显微镜下，片上光源芯片的光输出视频
01十年追梦
大尺寸硅晶圆内点亮激光光源
基于硅基光电子集成的片上光互连，被认为是在后摩尔时代突破集成电路技术发展所面临的功耗、带宽和延时等瓶颈的理想方案。而业界目前对硅光全集成平台的开发最难的挑战在于对硅光芯片的“心脏”，即能高效率发光的硅基片上光源的开发和集成上。该技术是我国光电子领域在国际上仅剩不多的空白环节。
九峰山实验室硅光工艺团队与合作伙伴协同攻关，在8寸硅光晶圆上异质键合III-V族激光器材料外延晶粒，再进行CMOS兼容性的片上器件制成工艺，成功解决了III-V材料结构设计与生长、材料与晶圆键合良率低，及异质集成晶圆片上图形化与刻蚀控制等难点。经过近十年的追赶攻关，终成功点亮片内激光，实现“芯片出光”。
九峰山实验室8寸硅基片上光源芯片晶圆
相较于传统的分立封装外置光源和FC微组装光源，九峰山实验室片上光源技术能有效解决传统硅光芯片耦合效率不够高、对准调节时间长、对准精度不够好的工艺问题，突破了制作成本高、尺寸大、难以大规模集成等量产瓶颈。
九峰山实验室8寸硅基片上光源芯片晶圆
02芯片光互联
突破芯片间大数据传输物理瓶颈
人工智能大模型的开发和应用、自动驾驶、远程医疗、低延时远程通讯……未来世界对算力的需求在不断增加。由于在单个芯片上增加晶体管密度这条路径越来越难，于是业界开辟出新思路，将多个芯粒封装在同一块基板上，以提升晶体管数量。在单个封装单元中芯粒越多，它们之间的互连就越多，数据传输距离也就越长，传统的电互连技术迫切需要演进升级。与电信号相比，光传输的速度更快、损耗更小、延迟更少，芯片间光互联技术被认为是推动下一代信息技术革命的关键技术。
芯片间光互联示意图
随着人类对信息传输和处理的要求越来越高，“摩尔定律”驱使下的传统微电子技术也已经很难解决芯片在功耗、发热、串扰等方面出现的问题。而通过光电异质集成技术可实现芯片间、芯片内的光互连，将CMOS技术所具备的超大规模逻辑、超高精度制造的特性与光子技术超高速率、超低功耗的优势融合起来，把原本分离器件众多的光、电元件缩小集成到一个独立微芯片中，实现高集成度、低成本、高速光传输。光电异质集成技术可有效解决微电子芯片目前的技术瓶颈问题，也是目前信息产业实现超越摩尔技术路线的重要技术方向。
