CUMEC：2025年在芯片層面實現(xiàn)硅基混合集成

5月15日消息（雋暢）當前，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)用場景對更低成本、更高集成、更低功耗、更高互聯(lián)密度等需求，發(fā)展?jié)摿薮?，前景廣闊。

5月11日，CIOE中國光博會與C114通信網(wǎng)聯(lián)合推出大型研討會系列活動——“2023中國光通信高質(zhì)量發(fā)展論壇”。大會期間，聯(lián)合微電子中心有限責任公司（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)》的報告，詳細介紹了硅光技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀。

數(shù)智化時代，硅光乘勢而起

阿里巴巴達摩院發(fā)布的《2022十大科技趨勢》提到：“在電子芯片的制程競賽接近終點的情況下，硅光芯片將異軍突起，融合光子和電子優(yōu)勢，突破摩爾定律限制，滿足人工智能、云計算帶來的爆發(fā)性算力需求。預計未來三年，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。一是集成優(yōu)勢。硅光芯片的波導具有較大的折射率差，能夠很好地限制光場，芯片尺寸能夠做到很小。二是材料優(yōu)勢。硅材料價格低廉，與CMOS工藝兼容，具有規(guī)模生產(chǎn)優(yōu)勢，可以有效降低成本。

數(shù)智化時代，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，硅光市場規(guī)模直接受益。Yole預估，2019年的硅光市場規(guī)模為4.8億美元；預測2025年將達到39億美元，年復合增長率達到42%。

與此同時，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)中心光模塊和長距離光傳輸模塊；2025年，硅光應(yīng)用預計擴展到光互聯(lián)、無人駕駛Lidar、免疫測試、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)展風向

數(shù)據(jù)中心作為國家“新基建”的七大方向之一，被國家發(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)和強算力與低能耗之間的矛盾，升級受阻。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體，在通訊波段不具備發(fā)光能力，量子點結(jié)構(gòu)方案是目前的重要研究方向。量子點的離散分布特點具有更好的位錯容忍度，能夠有效過濾未位錯陷對有源區(qū)的影響，可以制造高性能的片上光源。

第二類是低損波導技術(shù)。低損耗的波導是硅光芯片的核心技術(shù)，較大的波導損耗會限制系統(tǒng)的規(guī)模。系統(tǒng)越大，波導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。光柵耦合適用于晶圓級測試，但光學帶寬較小，需要將損耗降至最低，才能滿足光模塊應(yīng)用。端面耦合的光學帶寬很大，損耗也可以做到很小，但工藝以及晶圓級的測試難度較大。

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。此后，業(yè)界提出反向偏置的PN結(jié)構(gòu)，消除載流子擴散效應(yīng)，將調(diào)制速率提高到50Gb/s以上。當前，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)。硅材料對通信波段透明，需要通過鍺外延技術(shù)實現(xiàn)通信波段的高速探測。

第六類是無源器件技術(shù)。目前的研究熱點是通過逆向設(shè)計使得硅光器件的結(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)。中國在產(chǎn)業(yè)鏈中游優(yōu)勢明顯，但難以分享上游的巨大價值。盡早形成硅光產(chǎn)業(yè)鏈，壯大生態(tài)，帶動產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，是我國光模塊產(chǎn)業(yè)實現(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，實現(xiàn)設(shè)計、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、擴散、薄膜、化學機械拋光（CMP）、外延等完整集成電路工藝制作能力和成套芯片測試分析能力，是國際先進、國內(nèi)唯一一個具有完整自主知識產(chǎn)權(quán)的光電微系統(tǒng)先導工藝平臺。

“目前，我們以關(guān)鍵核心工藝技術(shù)研發(fā)為主線，計劃在2025年初步實現(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，以期通過科技創(chuàng)新、技術(shù)進步推動硅光產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，為整個生態(tài)的繁榮與壯大做出貢獻。

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