5G&DC新基建白皮书之《硅光芯片技术工艺大参考》欢迎咨询
发布时间：2021-12-01 16:44:23 热度：2117
12/01/2021，光纤在线讯，目前世界上很多国家，尤其是主要的工业国家，都把光电集成列为国家的发展战略。据最新报道，韩国宣布斥资4500亿美元打造“半导体强国”新战略。在美欧日韩均合纵连横、大笔押注芯片制造业回流和先进工艺的时刻，使用成熟且实用的硅光高级集成与先进封装技术无疑是在后摩尔定律时代进行“产业链自主可控”、实现“变道超车”的最具有颠覆性能力的技术方向之一！
本册内容导读
在电子集成领域，有一个著名的定律叫摩尔定律，是英特尔创始人之一戈登·摩尔在1965年4月提出来的经验之谈。摩尔定律的核心内容为：集成电路上可以容纳的晶体管数目，在大约每经过18个月便会增加一倍。简单来说就是我们的集成芯片性能每隔两年翻一倍。从1965年摩尔定律被提出至今，半导体集成制程工艺已经接近摩尔定律的极限。在第一章首先回顾了半导体微电子芯片的集成与封装技术的发展历程；详细阐述了FlipChip/Bumping、晶圆级WLP、2.5D、3D等新型封装技术；为了给硅光集成技术做好铺垫，对芯片制造全工艺流程及关键工艺如薄膜沉积与生长、光刻、掺杂、异构芯片铜互连等进行了详细介绍和阐释。后摩尔时代SoC芯片继续微缩面临的压力，提出了研发突破口为向多维扩展要芯片性能的新发展空间的思路，即采用Chiplet技术延续摩尔定律生命力。研究了晶体管演进、逻辑与存储异构集成、ASIC交换与光模块异构集成等核心关键技术。
随着5G超高速网络的商业化，以云计算、大数据和AI等新兴技术将迎来快速发展时期。面对与日俱增的云服务和数据量，通信系统需满足低时延、低抖动、低丢包、高带宽、高可靠，和高安全的高品质连接。因此通信运营商必须以高速直达的波分复用(WDM)技术为基础，低成本和低延时的光模块为核心，通过引入高集成度、彩光直连、通用共享和灵活智能等技术创新，来打造高效、快速和便捷的网络基础设施，广泛应用于数据云中心、电信网络和接入终端，推动云网高度融合发展。第二章研究了5G和数据中心的新需求，云网融合背景下的新基建需求。分析了通用化、智能化、开放化的WDM技术创新，以及低成本高速光连接技术向网络末端下沉的各种关键技术，包括低成本倍频技术、PAM-4、400G、PAM-4直调直捡、PAM-4+DSP、相干技术的下沉等。
全世界都在寻找突破摩尔定律极限的方法。而光子集成技术正是其中之一。光信号的传输效率要远远高于电信号的传输，电有电的特点，光有光的特长，能把两者完美的融合在一起，就能通过光电集成在一定程度上突破半导体摩尔定律的极限。因此，将光与电二者的特长各自发挥，将两者完美的融合在一起，就可以实现通过光电的融合集成来突破半导体摩尔定律的极限。利用现在半导体的技术，把分立的光器件，通过半导体的集成技术或封装工艺集成到电的IC芯片里面去，实现光电子单片集成，这是目前半导体集成电路领域发展的一个重要方向。第三章以硅光芯片集成技术为核心内容，首先回顾了集成光学、光子学、硅光学的发展历史，厘清了电子、光子、硅光、硅光子、Si基、PLC、PIC、SOI等名词的概念和关系；更进一步地，对硅光集成、硅基集成、混合集成、单片集成、光电集成也厘清了它们之间的相互关系；然后，分别从硅光多维度集成资源、硅光材料、硅光集成元器件等各种角度细致研究了硅光集成技术原理、分类特征和应用优势。
由于随着芯片封装技术越来越精细、越来越向三维空间发展，所以传统的封装技术越来越具有了集成化的特性，因此先进的封装技术也成为与高级集成技术并驾齐驱的突破摩尔定律限制瓶颈的核心手段。在第四章系统研究了硅光芯片的高级集成技术及硅光异构芯片的先进封装工艺，分别详细研究了硅光集成的核心关键技术创新，包括：兼容CMOS、SiN新波导材料、光源集成、异构集成、异质外延生长集成、单片集成等工艺创新；对光源耦合、异质键合、外延层转移、TSV转接、多维封装、收发器单片集成等硅光芯片的新技术与新工艺原理都进行了深入的研究。首次系统分析了CPO概念、原理、应用系统设计、载板工艺和商用系统开发创新核心研发方向；最后对Intel等公司的硅光集成封装平台进行了简要介绍。
关于芯片、器件和模块，通常用6个字来概括三项非常重要的指标：高速、智能、节能。如果要实现“高速”的话，一种最简单易行的方法就是“多通道多功能高密度”，同时还要求具有小尺寸和低功耗等最典型的特征。既然是多通道，那么就要做到将多通道集中到一个小的空间里面去。行业通行的做法一般是在维持尺寸大小不变的基础上实现速率等能力的翻翻提升。如果同时要将4个/8个/16个通道放进去，这就需要集成技术的发展进步，所以硅光光子集成就是为集成应用而生的。只有多通道高密度，光子集成才真正能起到它的作用，它既可提升性能，功耗也能降下来，相对于电子集成，较低的功耗也是整个硅光光子集成的一个非常重要的优势。第五章将前面两个章节关于硅光集成技术与封装工艺原理全部落实到高速并行400G光模块的产品开发上，着重研究了400G的技术标准、封装规格、400G硅光光模块的并行方案设计、400G集成封装工艺、400G光模块应用方案，还详细分析了业界已商用化发布的400G硅光光模块产品的优化改进思路。作为后续演进方向的顺延，还研究了800G光模块的技术选择与硅光工艺的实现方案。
集成电路已经发展了几十年，已经从电子管-晶体管-集成电路到大规模集成电路。到今天集成电路的尺寸越来越小，越来越精细，如今7纳米这样的成熟设计已被芯片广泛使用，甚至5nm更小的集成精度也会很快出现在市场上。实际上光和电都是电磁波，它只是处于不同的波段，不同的波粒二象性。电有电的特点，光有光的特长，能把两者完美的融合在一起，就能通过光电集成在一定程度上突破半导体摩尔定律的极限。硅基光电子集成技术利用成熟的微电子互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺设备，在绝缘体上的硅（SOI）上制造用于光通信、光互连和光信号处理的光电子器件和芯片，可实现低成本、批量化生产。在整个半导体集成电路行业里面，光电集成占到整个半导体集成电路的大概15~20%的占比。第六章逐一介绍了基于硅光集成技术制造的各种有源、无源光器件和光芯片。有：光栅、光频梳、耦合器、微环谐振器、偏振分束器、多维复用/交换芯片、各种复用/解复用器、MZI/MRR型电光调制器、硅基调制器、可重构硅光集成器件、光开关阵列、隔离器……
硅基光子集成在过去十多年内得到了飞速发展，通过硅基光子集成可以将光场紧束缚于微米/纳米尺度的芯片结构上。硅基光电子集成技术利用成熟的微电子互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺设备，在绝缘体上硅（SOI）上制造用于光通信、光互连和光信号处理的光电子器件和芯片，可实现低成本、批量化生产。
硅光集成技术是以硅和硅基衬底材料（如SiGe/Si、SOI等）作为光学介质，通过互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容的集成电路工艺制造相应的光子器件和光电器件，这些器件不仅包括硅基发光器件、硅基调制器、硅基探测器、硅基光波导器件，同时也可以包括与III-V族化合物器件混合集成的器件，并利用这些器件对光子进行发射、传输、检测和处理，以实现其在光通信、光互连、光计算等领域中的实际应用。
硅光集成技术结合了以微电子为代表的集成电路技术的超大规模、超高精度的特性和集成光学技术超高速率、超低功耗的优势，将集成光学器件与电子元器件组合至一个独立的微芯片之中，可以提升路由器和交换机线卡/板卡之间芯片与芯片之间的连接速度，可以满足数据中心对更低成本、更高集成度、更多嵌入式功能、更高互连密度、更低功耗和更高可靠性的发展需求，因此硅光芯片市场前景广阔。
硅基光电子集成技术与器件的发展前景究竟如何？所面临的问题与挑战究竟怎样解决？它的发展对传统的信息技术和产业会造成怎样的影响？我们应该如何抓住机遇实现快速发展？这些不仅涉及数据中心光互连需求、WDM光连接技术下沉、硅光集成技术、硅光封装工艺等核心技术问题，还和产业政策、技术演进策略等多方面因素有关。硅光的投资即是难得的机会，也面临巨大的挑战。
硅光芯片是凝结了“硅基+光+电子”的先进集成技术与高级封装工艺的异质混合、多维度扩展的芯片尖端技术与工艺。业内预计硅光芯片市场年均复合增长率将超过40%，市场潜力巨大。
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在电子集成领域，有一个著名的定律叫摩尔定律，是英特尔创始人之一戈登·摩尔在1965年4月提出来的经验之谈。摩尔定律的核心内容为：集成电路上可以容纳的晶体管数目，在大约每经过18个月便会增加一倍。简单来说就是我们的集成芯片性能每隔两年翻一倍。从1965年摩尔定律被提出至今，半导体集成制程工艺已经接近摩尔定律的极限。在第一章首先回顾了半导体微电子芯片的集成与封装技术的发展历程；详细阐述了FlipChip/Bumping、晶圆级WLP、2.5D、3D等新型封装技术；为了给硅光集成技术做好铺垫，对芯片制造全工艺流程及关键工艺如薄膜沉积与生长、光刻、掺杂、异构芯片铜互连等进行了详细介绍和阐释。后摩尔时代SoC芯片继续微缩面临的压力，提出了研发突破口为向多维扩展要芯片性能的新发展空间的思路，即采用Chiplet技术延续摩尔定律生命力。研究了晶体管演进、逻辑与存储异构集成、ASIC交换与光模块异构集成等核心关键技术。
随着5G超高速网络的商业化，以云计算、大数据和AI等新兴技术将迎来快速发展时期。面对与日俱增的云服务和数据量，通信系统需满足低时延、低抖动、低丢包、高带宽、高可靠，和高安全的高品质连接。因此通信运营商必须以高速直达的波分复用(WDM)技术为基础，低成本和低延时的光模块为核心，通过引入高集成度、彩光直连、通用共享和灵活智能等技术创新，来打造高效、快速和便捷的网络基础设施，广泛应用于数据云中心、电信网络和接入终端，推动云网高度融合发展。第二章研究了5G和数据中心的新需求，云网融合背景下的新基建需求。分析了通用化、智能化、开放化的WDM技术创新，以及低成本高速光连接技术向网络末端下沉的各种关键技术，包括低成本倍频技术、PAM-4、400G、PAM-4直调直捡、PAM-4+DSP、相干技术的下沉等。
全世界都在寻找突破摩尔定律极限的方法。而光子集成技术正是其中之一。光信号的传输效率要远远高于电信号的传输，电有电的特点，光有光的特长，能把两者完美的融合在一起，就能通过光电集成在一定程度上突破半导体摩尔定律的极限。因此，将光与电二者的特长各自发挥，将两者完美的融合在一起，就可以实现通过光电的融合集成来突破半导体摩尔定律的极限。利用现在半导体的技术，把分立的光器件，通过半导体的集成技术或封装工艺集成到电的IC芯片里面去，实现光电子单片集成，这是目前半导体集成电路领域发展的一个重要方向。第三章以硅光芯片集成技术为核心内容，首先回顾了集成光学、光子学、硅光学的发展历史，厘清了电子、光子、硅光、硅光子、Si基、PLC、PIC、SOI等名词的概念和关系；更进一步地，对硅光集成、硅基集成、混合集成、单片集成、光电集成也厘清了它们之间的相互关系；然后，分别从硅光多维度集成资源、硅光材料、硅光集成元器件等各种角度细致研究了硅光集成技术原理、分类特征和应用优势。
由于随着芯片封装技术越来越精细、越来越向三维空间发展，所以传统的封装技术越来越具有了集成化的特性，因此先进的封装技术也成为与高级集成技术并驾齐驱的突破摩尔定律限制瓶颈的核心手段。在第四章系统研究了硅光芯片的高级集成技术及硅光异构芯片的先进封装工艺，分别详细研究了硅光集成的核心关键技术创新，包括：兼容CMOS、SiN新波导材料、光源集成、异构集成、异质外延生长集成、单片集成等工艺创新；对光源耦合、异质键合、外延层转移、TSV转接、多维封装、收发器单片集成等硅光芯片的新技术与新工艺原理都进行了深入的研究。首次系统分析了CPO概念、原理、应用系统设计、载板工艺和商用系统开发创新核心研发方向；最后对Intel等公司的硅光集成封装平台进行了简要介绍。
关于芯片、器件和模块，通常用6个字来概括三项非常重要的指标：高速、智能、节能。如果要实现“高速”的话，一种最简单易行的方法就是“多通道多功能高密度”，同时还要求具有小尺寸和低功耗等最典型的特征。既然是多通道，那么就要做到将多通道集中到一个小的空间里面去。行业通行的做法一般是在维持尺寸大小不变的基础上实现速率等能力的翻翻提升。如果同时要将4个/8个/16个通道放进去，这就需要集成技术的发展进步，所以硅光光子集成就是为集成应用而生的。只有多通道高密度，光子集成才真正能起到它的作用，它既可提升性能，功耗也能降下来，相对于电子集成，较低的功耗也是整个硅光光子集成的一个非常重要的优势。第五章将前面两个章节关于硅光集成技术与封装工艺原理全部落实到高速并行400G光模块的产品开发上，着重研究了400G的技术标准、封装规格、400G硅光光模块的并行方案设计、400G集成封装工艺、400G光模块应用方案，还详细分析了业界已商用化发布的400G硅光光模块产品的优化改进思路。作为后续演进方向的顺延，还研究了800G光模块的技术选择与硅光工艺的实现方案。
集成电路已经发展了几十年，已经从电子管-晶体管-集成电路到大规模集成电路。到今天集成电路的尺寸越来越小，越来越精细，如今7纳米这样的成熟设计已被芯片广泛使用，甚至5nm更小的集成精度也会很快出现在市场上。实际上光和电都是电磁波，它只是处于不同的波段，不同的波粒二象性。电有电的特点，光有光的特长，能把两者完美的融合在一起，就能通过光电集成在一定程度上突破半导体摩尔定律的极限。硅基光电子集成技术利用成熟的微电子互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺设备，在绝缘体上的硅（SOI）上制造用于光通信、光互连和光信号处理的光电子器件和芯片，可实现低成本、批量化生产。在整个半导体集成电路行业里面，光电集成占到整个半导体集成电路的大概15~20%的占比。第六章逐一介绍了基于硅光集成技术制造的各种有源、无源光器件和光芯片。有：光栅、光频梳、耦合器、微环谐振器、偏振分束器、多维复用/交换芯片、各种复用/解复用器、MZI/MRR型电光调制器、硅基调制器、可重构硅光集成器件、光开关阵列、隔离器……
硅基光子集成在过去十多年内得到了飞速发展，通过硅基光子集成可以将光场紧束缚于微米/纳米尺度的芯片结构上。硅基光电子集成技术利用成熟的微电子互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺设备，在绝缘体上硅（SOI）上制造用于光通信、光互连和光信号处理的光电子器件和芯片，可实现低成本、批量化生产。
硅光集成技术是以硅和硅基衬底材料（如SiGe/Si、SOI等）作为光学介质，通过互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容的集成电路工艺制造相应的光子器件和光电器件，这些器件不仅包括硅基发光器件、硅基调制器、硅基探测器、硅基光波导器件，同时也可以包括与III-V族化合物器件混合集成的器件，并利用这些器件对光子进行发射、传输、检测和处理，以实现其在光通信、光互连、光计算等领域中的实际应用。
硅光集成技术结合了以微电子为代表的集成电路技术的超大规模、超高精度的特性和集成光学技术超高速率、超低功耗的优势，将集成光学器件与电子元器件组合至一个独立的微芯片之中，可以提升路由器和交换机线卡/板卡之间芯片与芯片之间的连接速度，可以满足数据中心对更低成本、更高集成度、更多嵌入式功能、更高互连密度、更低功耗和更高可靠性的发展需求，因此硅光芯片市场前景广阔。
硅基光电子集成技术与器件的发展前景究竟如何？所面临的问题与挑战究竟怎样解决？它的发展对传统的信息技术和产业会造成怎样的影响？我们应该如何抓住机遇实现快速发展？这些不仅涉及数据中心光互连需求、WDM光连接技术下沉、硅光集成技术、硅光封装工艺等核心技术问题，还和产业政策、技术演进策略等多方面因素有关。硅光的投资即是难得的机会，也面临巨大的挑战。
硅光芯片是凝结了“硅基+光+电子”的先进集成技术与高级封装工艺的异质混合、多维度扩展的芯片尖端技术与工艺。业内预计硅光芯片市场年均复合增长率将超过40%，市场潜力巨大。
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