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硅光子技术的三大优势

2023-06-08 00:15:00

随着半导体工业化进程的加快，后摩尔定律时代已经进入。微电子技术接近瓶颈，光电子技术已成为半导体领域竞争的另一条轨道。

1.什么是硅光技术？

在芯片技术的发展过程中，随着芯片技术的逐渐减少，互联效应已成为影响芯片性能的技术瓶颈之一，硅光子技术可以解决这个问题。

互连线相当于微电子设备中的街道和高速公路，晶体管可用于晶体管、电阻、电容器与其他部件连接并与外界互动。当芯片越来越小时，互联线需要越来越薄，互联线间距缩小，电子元件之间的寄生效应也会越来越影响电路的性能。铝和其他常见的互联材料、铜、碳纳米管等，而这些材料的互联线无疑会遇到物理极限，而光互连则不然。

此外，基于计算机和通信网络的信息技术也希望其功能设备和系统具有更快的处理速度、更大的数据存储容量和更高的传输速率。仅以电子为信息载体的硅集成电路技术难以满足上述要求。

硅光子技术BD911是一种光通信技术，利用激光束代替电子半导体信号传输数据，基于硅和硅基衬底材料，利用现有的CMOS光设备开发与集成的新一代技术。最大的优点是传输速率相当高，可以使处理器内核之间的数据传输速度快100倍甚至更高，功率效率也很高，因此被认为是新一代半导体技术。

历史上硅光子SOI上开发，但是SOI晶圆非常昂贵，不一定是所有不同光子学功能的最佳材料。与此同时，随着数据速率的提高，硅上的高速调制正成为瓶颈，因此正在开发各种新材料，如LNO薄膜、InP、BTO.聚合物和等离子体材料，以达到更高的性能。

硅光学技术的目标是将光电转换和传输模块集成到芯片中，并将芯片之间的光信号转换为可能。在使用该技术的芯片中，电流从计算核心流出，转换模块通过光电效应转换为光信号发射到电路板上铺设的超细光纤，然后转换为另一个芯片。

事实上，硅光子技术并不是一项新技术。早在20世纪90年代，一些相关的概念就被芯片发展到物理极限，以延续摩尔定律。自21世纪初以来，Intel和IBM领先的企业和学术机构开始重点发展硅芯片光学信号传输技术，希望有一天能用光通路代替芯片之间的数据电路。

在制造过程中，虽然光子芯片和电子芯片在工艺和复杂性上相似，但光子芯片对结构的要求并不像电子芯片那样严格，一般为100纳米。这大大降低了对先进技术的依赖，在一定程度上缓解了当前芯片开发的瓶颈。

业内人士将硅光技术的发展分为三个阶段。第一阶段是利用硅制造光通信底层设备，实现工艺标准化。第二阶段是集成技术从耦合集成演变为单片集成，实现部分集成，然后通过不同设备的组合集成不同的芯片。第三阶段是光电集成技术集成，实现光电集成。目前，硅光技术已发展到第二阶段。

随着摩尔定律的逐步上限，硅光子技术的投资和研发再次受到重视，越来越多的科技公司开始增加对硅光子技术领域的研发投资。

2.硅光子技术三大优势

集成度高：硅光子技术以硅为集成芯片的衬底，硅基材料成本低，延展性好，可采用成熟的硅光子技术CMOS光设备的工艺生产。与传统方案相比，硅光子技术集成度更高，嵌入式功能更多，有利于提高芯片集成度。

成本下降潜力：传统成本下降潜力：GaAs/InP由于晶圆材料生长有限，衬底的生产成本较高。近年来，随着传输速率的进一步提高，芯片的成本将进一步增加。与三五种半导体相比，硅基材料成本低，可大规模制造，芯片成本大大降低。

波导传输性能优异：硅的禁带宽度为1.12eV，相应的光波长为1.1μm。因此，硅对1.1-1.6μm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，可与二氧化硅形成较大的折射率差，保证硅波导能具有较小的波导弯曲半径。

3.硅光技术发展面临的难题

首先，硅光产品需要考虑相对较高的成本。受大量光学设备的限制，硅光设备需要使用各种材料。在缺乏大规模需求的情况下，硅光产品已成为一种“高价、低性价比”产品。同时，很难保证设备的性能和产量。

其次，硅光芯片在各个环节都缺乏标准化解决方案。例如，在设计过程中，硅光产品仍然需要特殊的特殊产品。EDA工具(硅光设计工具PDA）设计；在制造和封装过程中，类似台积电、三星等大型晶圆代工厂均未提供硅光工艺晶圆代工服务。

硅光子芯片技术设计痛点：硅光芯片设计面临结构不完善、体积与性能平衡等问题。

硅光芯片的设计方案有三大主流：前端集成.混合集成和后端集成。前端集成的缺点是面积利用率低.SOI衬底光/电不兼容.灵活性低，波导掩埋，工艺成本高，制造难度大，特别是波导制备具有挑战性；至于混合集成，虽然工艺灵活，但成本高，设计困难。

硅光子芯片技术制造：硅光芯片制造工艺面临自动化程度低.工业标准不统一.设备短缺等技术难点。

由于光波长难以压缩，过长的波长限制了芯片体积微缩的可能性。同时，光学装置需要更准确的过程，因为光束传输的一些微偏差会造成巨大的问题，相对需要高技术和高成本。光子芯片相关技术需要改进，产量和成本将是该行业的主要问题。

硅光子芯片包装问题：芯片包装是任何芯片的必要过程，硅光子芯片包装问题是当前行业的一大痛点。

硅光芯片的包装主要分为两部分，一部分是光学部分，另一部分是电学部分。从光学包装的角度来看，由于硅光芯片的光波长很小，与光纤不匹配，与激光器有相同的问题；不匹配会导致耦合损失，这是硅光芯片包装与传统包装最大的区别。随着性能的不断提高，pin密度会大大提高，这也会给封装带来很大的挑战。