CUMEC：2025年在芯片層面實(shí)現(xiàn)硅基混合集成

5月15日消息（雋暢）當(dāng)前，集成電路沿著摩爾定律發(fā)展已趨于極限，硅光技術(shù)作為光通信行業(yè)的一項(xiàng)尖端技術(shù)，其核心是“以光代電”、“光電融合”，可以滿足數(shù)據(jù)中心、干線傳輸、城域傳輸三大應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)更低成本、更高集成、更低功耗、更高互聯(lián)密度等需求，發(fā)展?jié)摿薮螅熬皬V闊。

5月11日，CIOE中國(guó)光博會(huì)與C114通信網(wǎng)聯(lián)合推出大型研討會(huì)系列活動(dòng)——“2023中國(guó)光通信高質(zhì)量發(fā)展論壇”。大會(huì)期間，聯(lián)合微電子中心有限責(zé)任公司（CUMEC）工程師肖志雄發(fā)表題為《面向數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的硅光技術(shù)》的報(bào)告，詳細(xì)介紹了硅光技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀。

數(shù)智化時(shí)代，硅光乘勢(shì)而起

阿里巴巴達(dá)摩院發(fā)布的《2022十大科技趨勢(shì)》提到：“在電子芯片的制程競(jìng)賽接近終點(diǎn)的情況下，硅光芯片將異軍突起，融合光子和電子優(yōu)勢(shì)，突破摩爾定律限制，滿足人工智能、云計(jì)算帶來(lái)的爆發(fā)性算力需求。預(yù)計(jì)未來(lái)三年，硅光芯片將承載大型數(shù)據(jù)中心的高速信息傳輸。”

肖志雄表示，硅光主要具備兩大優(yōu)勢(shì)。一是集成優(yōu)勢(shì)。硅光芯片的波導(dǎo)具有較大的折射率差，能夠很好地限制光場(chǎng)，芯片尺寸能夠做到很小。二是材料優(yōu)勢(shì)。硅材料價(jià)格低廉，與CMOS工藝兼容，具有規(guī)模生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)，可以有效降低成本。

數(shù)智化時(shí)代，全球網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量正以每三年翻一番的速度激增，硅光市場(chǎng)規(guī)模直接受益。Yole預(yù)估，2019年的硅光市場(chǎng)規(guī)模為4.8億美元；預(yù)測(cè)2025年將達(dá)到39億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到42%。

與此同時(shí)，硅光的業(yè)務(wù)領(lǐng)域也在不斷拓展。肖志雄介紹道：“2019年，硅光應(yīng)用集中在數(shù)據(jù)中心光模塊和長(zhǎng)距離光傳輸模塊；2025年，硅光應(yīng)用預(yù)計(jì)擴(kuò)展到光互聯(lián)、無(wú)人駕駛Lidar、免疫測(cè)試、光纖陀螺和5G光模塊等領(lǐng)域。”

硅光引領(lǐng)下一代數(shù)據(jù)中心發(fā)展風(fēng)向

數(shù)據(jù)中心作為國(guó)家“新基建”的七大方向之一，被國(guó)家發(fā)改委明確定義為“新基建”中的算力基礎(chǔ)設(shè)施，可不少傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心難以調(diào)和強(qiáng)算力與低能耗之間的矛盾，升級(jí)受阻。在此背景下，硅光方案效率高、功耗少、成本低、尺寸小的特征將打破物理瓶頸，驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)中心高質(zhì)量發(fā)展。

肖志雄指出，有六類硅光技術(shù)在數(shù)據(jù)中心得到應(yīng)用。

第一類是光源技術(shù)。由于硅材料是間接帶隙半導(dǎo)體，在通訊波段不具備發(fā)光能力，量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)方案是目前的重要研究方向。量子點(diǎn)的離散分布特點(diǎn)具有更好的位錯(cuò)容忍度，能夠有效過(guò)濾未位錯(cuò)陷對(duì)有源區(qū)的影響，可以制造高性能的片上光源。

第二類是低損波導(dǎo)技術(shù)。低損耗的波導(dǎo)是硅光芯片的核心技術(shù)，較大的波導(dǎo)損耗會(huì)限制系統(tǒng)的規(guī)模。系統(tǒng)越大，波導(dǎo)損耗的影響就越明顯。

第三類是耦合技術(shù)。主要的耦合技術(shù)分為光柵耦合和端面耦合，兩類方案各有優(yōu)勢(shì)。光柵耦合適用于晶圓級(jí)測(cè)試，但光學(xué)帶寬較小，需要將損耗降至最低，才能滿足光模塊應(yīng)用。端面耦合的光學(xué)帶寬很大，損耗也可以做到很小，但工藝以及晶圓級(jí)的測(cè)試難度較大。

第四類是高速調(diào)制技術(shù)。2004年，Intel公司提出MOS型電光調(diào)制器，首次將硅基電光調(diào)制器速率提高到Gb/s量級(jí)。此后，業(yè)界提出反向偏置的PN結(jié)構(gòu)，消除載流子擴(kuò)散效應(yīng)，將調(diào)制速率提高到50Gb/s以上。當(dāng)前，硅基電光調(diào)制器的速率可輕松突破100Gb/s。

第五類是高速解調(diào)技術(shù)。硅材料對(duì)通信波段透明，需要通過(guò)鍺外延技術(shù)實(shí)現(xiàn)通信波段的高速探測(cè)。

第六類是無(wú)源器件技術(shù)。目前的研究熱點(diǎn)是通過(guò)逆向設(shè)計(jì)使得硅光器件的結(jié)構(gòu)更緊湊、性能更優(yōu)越。

CUMEC助力硅光產(chǎn)業(yè)鏈培育與生態(tài)建設(shè)

全球光模塊產(chǎn)業(yè)鏈分工明確，歐美日技術(shù)起步較早，專注于芯片和產(chǎn)品研發(fā)。中國(guó)在產(chǎn)業(yè)鏈中游優(yōu)勢(shì)明顯，但難以分享上游的巨大價(jià)值。盡早形成硅光產(chǎn)業(yè)鏈，壯大生態(tài)，帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，是我國(guó)光模塊產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)“換道超車”的重要前提。

肖志雄表示，CUMEC致力于走“超越摩爾+光電融合”技術(shù)路線，以硅基光電子、異質(zhì)異構(gòu)三維集成、CIS、智能傳感等工藝技術(shù)和產(chǎn)品技術(shù)為核心，為客戶提供一體化的解決方案，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、制造、封裝全鏈條的完整支撐。

據(jù)了解，CUMEC一期打造的8英寸90nm工藝線包括硅光前道區(qū)域、后道銅布線區(qū)域及3D集成區(qū)域，具備光刻、刻蝕、注入、擴(kuò)散、薄膜、化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）、外延等完整集成電路工藝制作能力和成套芯片測(cè)試分析能力，是國(guó)際先進(jìn)、國(guó)內(nèi)唯一一個(gè)具有完整自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的光電微系統(tǒng)先導(dǎo)工藝平臺(tái)。

“目前，我們以關(guān)鍵核心工藝技術(shù)研發(fā)為主線，計(jì)劃在2025年初步實(shí)現(xiàn)硅基混合集成芯片。”肖志雄透露，在混合集成取得技術(shù)突破后，CUMEC將繼續(xù)發(fā)力光電單片集成，以期通過(guò)科技創(chuàng)新、技術(shù)進(jìn)步推動(dòng)硅光產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，為整個(gè)生態(tài)的繁榮與壯大做出貢獻(xiàn)。

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