随着半导体产业化进程不断加快，现在已经进入到后摩尔定律时代，微电子技术接近瓶颈，光电子技术已经成为半导体领域竞争的另一条赛道。尤其是在5G商用来临之际，硅光芯片更加重要，而英特尔、格芯等都已具备了硅光芯片的研发和制造能力。近日，我国重庆联合微电子中心发布的纳米成套硅光工艺，标志着我国已具备硅光领域全流程自主工艺制造能力，是硅光领域的一大进步。
硅光集成技术发展趋势
在硅光子技术中，芯片的概念由原先的激光器芯片延伸至集成芯片。从结构上看，硅光芯片包括光源、调制器、波导、探测器等有源芯片及源芯片。硅光芯片将多个光器件集成在同一硅基衬底上，一改以往器件分立的局面，芯片集中度大幅提升。硅光子技术主要有以下三大优势：
（1）集成度高。硅光子技术以硅作为集成芯片的衬底。硅基材料成本低且延展性好，可以利用成熟的硅CMOS工艺制作光器件。与传统方案相比，硅光子技术具有更高的集成度及更多的嵌入式功能，有利于提升芯片的集成度。
BSV-BCB紫外胶实现混合集成
（2）成本下降潜力大。在光器件和光模块中，光芯片的成本占比较高。传统的GaAs/InP衬底因晶圆材料生长受限，生产成本较高。近年来，随着传输速率的进一步提升，需要更大的三五族晶圆，芯片的成本支出将进一步提升。与三五族半导体相比，硅基材料成本较低且可以大尺寸制造，芯片成本得以大幅降低。
（3）波导传输性能优异。硅的禁带宽度为1.12eV，对应的光波长为1.1μm。因此，硅对于1.1—1.6μm的通信波段（典型波长1.31μm/1.55μm）是透明的，具有优异的波导传输特性。此外，硅的折射率高达3.42，与二氧化硅可形成较大的折射率差，确保硅波导可以具有较小的波导弯曲半径。
低温氧分子等离子技术实现混合集成
硅光时代临近，芯片集成度有望大幅提升
近年来，随着物联网、大数据等应用的快速发展，全球数据流量呈快速增长态势，对传输的需求也逐渐提升。目前，传统光模块主要利用III-V族半导体芯片、电路芯片、光学组件等器件封装而成，本质上属于“电互联”范畴。随着晶体管加工尺寸逐渐缩小，电互联将逐渐面临传输瓶颈。目前，对于传统的三五族半导体光芯片，25Gbps已接近传输速率的瓶颈，进一步提升速率需要采用PAM4等技术。随着高速光模块在数据中心的大量运用，传统III-V族半导体的光芯片将面临并行传输、三五族磊晶成本高昂等问题。在此背景下，硅光子技术应运而生，成为III-V族半导体之外的一大选择。
硅光子技术是基于硅材料，利用现有CMOS工艺进行光器件开发与集成的新一代通信技术。硅光子技术的核心理念是“以光代电”，将光学器件与电子元件整合到一个独立的微芯片中，利用激光作为信息传导介质，提升芯片间的连接速度。随着流量的持续爆发，芯片层面的“光进铜退”将是大势所趋，硅光子技术有望实现规模商用化。
为什么要发展硅光芯片
微电子技术是当今半导体领域的主要技术，已经遵循摩尔定律发展了60多年。随着微电子芯片集成度不断增加，工艺线宽不断变窄，微电子技术已经逐渐接近性能极限，摩尔定律面临失效！同时进入5G时代，对数据传输的要求越来越高，传统的电芯片在信号传输模式上遇到带宽、功耗、延时等一系列瓶颈问题。而与微电子只有“一字之差”的光电子，凭借高速和低功耗等优势逐步走上历史舞台!
硅光技术是如何产生的
受集成电路的启发，集成光路的概念被提出，即利用光波导将一系列光电子器件集成在同一个衬底上，从而构成一个具有一定独立功能的微型光学系统。以硅CMOS工艺为基础的微电子技术，技术积累十分全面，并且硅基工业已经具有强大的产业能力。以硅基作为衬底，利用硅CMOS工艺将光电子器件集成，硅光技术应运而生，凭借兼具微电子和光电子两大技术优势，成为半导体和通信企业的竞争热点。
什么是硅光和硅光芯片
硅光是以光子和电子为信息载体的硅基光电子大规模集成技术，能够大大提高集成芯片的性能，是大数据、人工智能、未来移动通信等新兴产业的基础性支撑技术，可广泛应用于大数据中心、5G、物联网等产业。硅光芯片是通过标准半导体工艺将硅光材料和器件集成在一起的集成光路，主要由调制器、探测器、无源波导器件等组成，它可以将多种光器件集成在同一硅基衬底上。
硅光应用领域不断扩大
硅光产品在光通信及光信息处理方面具有微电子无法比拟的优越性，应用广泛。在消费电子领域，硅光的大规模集成特性非常适合消费电子产品需求；在光通信领域，成为高速光通信实现产业化的最佳方案；在量子通信领域，基于硅光的量子通信芯片有望成为量子通信的重要技术方案。此外，硅光在智能驾驶、激光雷达、面部识别、高速互联等应用领域均有解决方案。
我国硅光产业发展现状
由于我国进入硅光领域较晚，目前主要通过并购或者与外企合作的模式切入，正处于追赶者的地位。我国目前在硅光领域开展布局的企业主要有华为、光迅科技、亨通光电、博创科技等。一直以来，我国硅光发展与发达国家仍存在差距。在设计、制备、封装、测试等方面，存在架构不够完善、硅光芯片大部分需要国外代工、硅光器件之间的耦合以及大密度集成等等问题，然而最近取得重大突破！
硅光领域取得重大突破
近日，重庆联合微电子中心面向全球发布了我国首个自主开发的纳米成套硅光工艺设计工具，并建成国内首个硅光芯片全流程封装测试实验室。这标志着我国已具备硅光领域全流程自主工艺制造能力，并开始向全球提供硅光芯片流片服务和光电设计自动化设计服务，能够实现高速光收发芯片、激光雷达芯片等产品批量生产，可以广泛用于5G和数据中心、无人驾驶和机器人等场合。
硅光工艺处于什么水平
此次开发的纳米成套硅光工艺，国内领先、具有完全自主知识产权，已经形成一个完整的、具有综合功能的新型大规模光电集成芯片。首批发布的PDK器件水平优秀，表明联合微电子中心的研发能力和工艺水平达到国际先进水平。联合微电子中心还建成了国内首个硅光芯片全流程封装测试实验室，最新的封装技术可以将光、电、温控等进行系统集成，为硅光芯片实现大规模生产和产业化扫清一大技术障碍。
硅光芯片既拥有微电子的工艺成熟、集成度高、价格低廉等基础，又兼具光电子的极高带宽、超快速率、抗干扰性、低功耗等优势，已经受到了华为、英特尔、思科、诺基亚等公司热捧。这次重庆联合微电子纳米成套硅光工艺，在硅光领域进步巨大，可以更好促进我国硅光产业的发展！
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