本文來自微信公眾號“工聯(lián)網(wǎng)iitime”，作者/舒文瓊。
5月16—17日，“2024世界電信和信息社會日大會”在浙江寧波召開。本次大會以“數(shù)字創(chuàng)新賦能新型工業(yè)化”為主題，探討工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、光通信技術(shù)等在推進新型工業(yè)化、發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力等方面發(fā)揮的重要作用。
在開幕式上，中國科學(xué)院院士楊德仁發(fā)表了題為《硅基光電子發(fā)光材料與器件》的主旨報告。他指出，隨著“后摩爾時代”的到來，硅基光電子應(yīng)運而生，成為信息技術(shù)發(fā)展的重要方向之一，吸引國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)界競相布局。然而，硅基光電子仍面臨著技術(shù)瓶頸，需要產(chǎn)業(yè)界持續(xù)創(chuàng)新、實現(xiàn)突破。
01
硅基光電子應(yīng)運而生
作為信息通信行業(yè)的基礎(chǔ)，近年來集成電路技術(shù)突飛猛進、線寬不斷降低。然而受物理尺寸的限制，當(dāng)線寬向3nm、1nm持續(xù)下探時，電互連信號延遲、帶寬受限、功耗密度上升等問題開始出現(xiàn)，產(chǎn)業(yè)步入了“后摩爾時代”。
在“后摩爾時代”如何發(fā)展集成電路？通常認(rèn)為方向有二：一是more and more Moore，二是more than Moore。前者不斷降低線寬；后者走多元化、集成化道路，將集成電路與光電子集成，即硅基光電子（硅基集成）。因為在帶寬、功耗、電磁干擾、體積重量、接口密度等方面優(yōu)勢明顯，所以硅基光電子在通信、數(shù)據(jù)中心、自動駕駛、傳感、高性能計算、人工智能等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
目前，美國、日本、德國等已經(jīng)投入巨資進行硅基光電子技術(shù)研究，其中美國成立了光子集成創(chuàng)新研究院，英特爾也投入了巨資。從全球來看，硅基光電子產(chǎn)業(yè)已經(jīng)初步形成，產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)包括國內(nèi)的華為、騰訊、百度、阿里巴巴等公司。從產(chǎn)業(yè)進展來看，硅基光電子已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心內(nèi)模塊、ZR模塊以及長距離相干模塊，英特爾的100G硅光模塊出貨量達到500萬只，業(yè)界預(yù)計到2026年硅光光模塊在光模塊市場將占據(jù)半壁以上江山。
02
技術(shù)瓶頸待突破
硅基光電子產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展、爆發(fā)在即。然而楊德仁院士也適時提醒，作為一項新技術(shù)，硅基光電子仍面臨著技術(shù)方面的瓶頸。
“硅基光電子包括光源、波導(dǎo)、調(diào)制、探測、封裝、集成等一系列程序，其中硅基光源是一大難點，到現(xiàn)在問題才解決了一半。”楊德仁院士解釋，硅基光電子一方面需要在硅基材料上發(fā)出激光，另一方面需要在工藝上與集成電路兼容，然而硅是間接帶隙半導(dǎo)體，發(fā)光效率非常低，而這已經(jīng)成為了一個世界性難題。
為破解難題，產(chǎn)業(yè)界上下求索、多方努力，嘗試了硅晶體中位錯、多孔硅光、硅納米（量子）點、硅基稀土、Raman激光器、混合激光器、連續(xù)波硅基InAs/GaAs量子點激光器等多種技術(shù)，不過依然沒有破解難題，仍處于多途徑探索階段。
其中值得一提的是，英特爾與UCSB合作，用混合激光器做出硅上激光器，成為目前硅光片間光互連的主要方案，已經(jīng)步入商業(yè)應(yīng)用階段。不過該方案存在尺寸大、無源波導(dǎo)損耗大、對準(zhǔn)難等問題，只能應(yīng)用在片間光互連，不能在片上實現(xiàn)光互連。
展望未來，楊德仁院士表示，硅基光電子是信息技術(shù)的重要方向之一，硅基片間互連光源可以通過鍵合技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，但是硅芯片上光互連依然是瓶頸，目前硅基量子點、硅基Ge/GeSn、硅基稀土發(fā)光等是重要途徑，但還沒有取得最終的成功，依然有待突破。“革命尚未成功，同志仍需努力。”楊德仁呼吁。他認(rèn)為，經(jīng)過業(yè)界同仁的共同努力，硅基光電子的光源問題最終能夠真正得以解決的。
