Smart Cut™技术驱动新一代人工智能时代的先进工程化衬底

引言

在人工智能技术快速发展的背景下，对更快速、更节能计算的需求正在达到新的高度。这一技术革命正推动数据中心的大规模增长，使得能源消耗的增长速度超过了全球发电能力。为应对这些挑战，硅基光电子技术已经成为关键解决方案，它能够实现高速光互连，显著降低能耗同时提高带宽。Smart Cut™技术使下一代光电子集成线路所必需的先进工程化衬底生产成为可行[1]。

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人工智能驱动的挑战：能源与速度

人工智能工作负载正对计算基础设施提出前所未有的需求。AI的计算需求以每年20倍的惊人速度增长，而传统计算仅为每年2倍。这种指数级增长使数据中心能源消耗达到了不可持续的水平，预测显示在加速AI采用的情况下，数据中心可能会消耗全球5-10%的发电量。当前估计表明，如果这一趋势继续下去，AI数据中心所需的能源将超过电网的合理供应能力，这将成为AI发展的基本限制，除非部署更高效的技术。

下一代计算系统面临的技术挑战不仅仅是能源消耗。数据传输速度必须大幅提高，以支持AI模型训练，这需要在数千个处理单元之间进行大规模并行计算。传统铜线互连在高频下面临基本物理限制，随着距离增加，信号完整性下降，导致能耗增加。此外，延迟成为AI工作负载中的关键因素，计算节点之间的同步直接影响整体系统性能。这些综合要求需要从计算系统内部和系统之间的电气通信向光通信进行根本性转变。

图1：不同情况下的数据中心能源使用预测，包括不相关的AI影响、基本情况和加速情况，展示了AI如何驱动大规模计算需求。

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硅基光电子：光学革命

硅基光电子代表了光学组件与传统CMOS技术的集成，它结合了硅的高密度、低成本和芯片级集成能力，以及光子学的带宽可扩展性、低功耗和长距离传输能力。这种强大的组合使得光互连能够以远超铜连接的速度传输数据，同时大幅降低能耗。

光学通信的根本优势源于光传输的物理特性。与电信号不同，电信号在高频下会因电阻、电容和串扰效应而性能下降，而光信号能够在很长距离内保持其完整性，几乎不会衰减。此外，波分复用技术允许多个数据流同时通过同一物理介质传输，大幅提高带宽，而不会成比例地增加能耗或物理基础设施。

随着AI的兴起，光互连的需求正在急剧增加。市场预测显示，光互连需求将从2023年的约2500万个单元飙升至2029年的近9000万个单元，其中AI相关需求占比越来越大。像Nvidia这样的公司正在推动这一需求的显著部分，因为他们的AI加速器架构越来越依赖光互连来实现处理节点之间所需的通信带宽。行业预测表明，到2028年，主要支持AI集群中InfiniBand连接的800G以太网模块将构成硅基光电子以太网出货量的约80%。

图2：显示了2021-2029年间AI和非AI应用的光互连需求总量增长，另一个详细说明了Nvidia在光学AI相关需求中的主导份额。

AI基础设施的规模正在迅速扩大，光互连正在实现越来越大规模的AI集群。当前最先进的系统已经从128个XPU（加速处理单元）和128个互连的适度集群发展到需要25,000个XPU和75,000个互连的大规模系统。行业路线图预测了更为显著的扩展，通过先进的光学技术，包含100万个XPU需要1000万个互连的系统在技术上是可行的。这种连接性的指数级扩展基本上取决于只有光学解决方案才能提供的功率效率和带宽密度。

图3：AI集群规模从128个XPU和128个互连到100万XPU和1000万互连的发展过程，说明了光学技术如何实现大规模扩展。

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绝缘体上硅：硅基光电子的基础

硅基光电子技术的核心是绝缘体上硅(SOI)衬底技术。SOI由位于埋氧层(BOX)上的单晶硅薄层组成，全部由硅基底支撑。这种结构为创建光电子集成线路提供了理想平台，通过在顶部硅层中形成的高折射率对比波导可实现精确的光引导和操作。

用于光电子应用的关键参数是顶部硅层厚度的精确控制，电信波长通常约为220纳米。这一尺寸必须在整个晶圆上保持纳米级精度，以确保一致的光学性能。埋氧层通常厚2-3微米，提供与硅基底的光学隔离，防止光泄漏并确保高质量的光学限制。该结构还使在同一衬底上集成光子和电子组件成为可能，允许将光操作、检测和信号处理功能结合在复杂系统中。

Soitec开创的Smart Cut™工艺通过独特的层转移技术实现高质量SOI晶圆的生产。该工艺始于一个经过热氧化形成未来埋氧层的捐赠硅晶圆。然后在特定深度注入氢离子，在晶体结构中形成弱化平面。这种注入后的晶圆在精确条件下与支撑基底进行键合，确保原子级粘附。当受到热处理时，氢注入区造成可控断裂，将一个精确定义的硅薄层转移到带有氧化层的支撑晶圆上。最终结构经过退火和抛光处理，形成最终的SOI衬底。值得注意的是，捐赠晶圆可以回收并重复用于额外的SOI生产，提高材料效率并降低成本。

图4：创建SOI晶圆的七步Smart Cut™工艺，展示了如何转移硅薄层以创建最终的工程化衬底。

这项技术提供了无与伦比的均匀性和质量，同时允许捐赠晶圆的重复使用，使其在经济和环境上都具有可持续性。Smart Cut™工艺的卓越精度对光电子应用至关重要，因为硅层的厚度直接影响光波导的性能。该工艺已经扩展到工业化生产，在300毫米晶圆上持续实现优于1.5纳米的厚度均匀性，这是其他SOI制造方法无法匹敌的精度水平。

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衬底质量的关键重要性

对于硅基光电子，衬底质量是器件性能的基本限制因素。光波导的物理特性对尺寸控制提出了特别严格的要求。当光通过硅波导传播时，其有效波长严重依赖于波导的横截面尺寸。这种关系通过表示波长如何随尺寸变化的偏导数来量化。

研究已经确定，光子波导的波长响应对不同尺寸变化表现出不同的敏感性。对于波导宽度（通常由光刻和刻蚀在晶圆厂控制），关系表示为∂λ/∂w = 1nm/nm，意味着每纳米宽度变化会产生相应的1纳米操作波长移动。然而，对于硅层厚度（由衬底制造决定），关系为∂λ/∂h = 2nm/nm，表明每纳米厚度变化会产生2纳米波长移动。这使得衬底厚度均匀性比晶圆厂加工精度重要两倍。

这些波长变化对器件性能有直接影响。在波长选择性器件如环形谐振器、多路复用器或干涉仪中，尺寸变化转化为必须补偿的功能偏差。主要补偿方法是热调谐，消耗额外功率 - 大约每开尔文温度变化0.08纳米波长移动。这种热补偿的功率开销直接抵消了光子技术旨在提供的能源效率优势。因此，从极其均匀的衬底开始，显著降低了器件操作所需的功率预算。

图5：硅基光电子波导尺寸与波长响应之间的关系，展示了为什么衬底厚度控制对性能至为重要。

Soitec的Photon-SOI制造工艺经过优化以满足这些要求。来自2,000多个晶圆的实际生产数据显示，晶圆内厚度变化平均仅为1.4纳米，晶圆间一致性优秀。这种精度水平是通过Smart Cut™工艺的固有优势结合整个制造过程中的复杂计量学和反馈系统实现的。所得晶圆表现出的厚度变化显著小于其他SOI制造方法能够实现的水平。

这种卓越的均匀性直接转化为改进的光学性能。由研究合作伙伴使用相同加工条件进行的比较测试表明，在Soitec衬底上制造的波导表现出显著较低的传播损耗。对于在1310纳米（主要数据通信波长）工作的单模条形波导，在Soitec衬底上测得的损耗为1.4 dB/cm，而在替代SOI上则为2.6 dB/cm。在不同波导几何和波长带中也观察到类似的改进。这些性能差异直接归因于Soitec衬底卓越的厚度控制和表面质量，因为所有其他加工条件都相同。

图6：220纳米Photon 300晶圆的厚度图，展示了晶圆内超高均匀性和晶圆间优秀稳定性。

图7：比较光学性能数据，表明Soitec的Photon-SOI衬底在不同波长带的条形和肋状波导中能够实现更低的传播损耗。

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超越硅：下一代光电子的新材料

虽然基于SOI的硅基光电子为许多应用提供了优秀平台，但下一代光子系统需要具有增强性能的额外材料。硅的间接带隙使其光发射效率低下，其相对较弱的电光效应限制了调制效率。Smart Cut™技术独特地成为多功能工具，能够创建包含具有互补特性的各种材料的工程化衬底。

富锂材料：铌酸锂(LiNbO₃)因其卓越的电光特性在光学应用中长期受到重视，这些特性允许极高效和高速的光调制。然而，传统的块状铌酸锂器件体积大、成本高且难以与其他组件集成。通过Smart Cut™工艺创建的绝缘体上铌酸锂(LNOI)通过将铌酸锂单晶薄层转移到具有埋氧层的硅基底上，解决了这些限制。

这种薄膜方法保持了材料优秀的电光特性，同时将器件占用面积减小了几个数量级，并实现了与其他光子和电子组件的集成。LNOI调制器可以实现超过100 GHz的调制带宽，驱动电压极低，每个光载波可以实现200+ Gbit/s，同时比硅或磷化铟替代品节省约15%的能源。这些特性使LNOI特别适合需要高带宽密度的应用，包括用于800GbE和1.6TbE连接的下一代可插拔收发器。

LNOI技术的市场潜力巨大，预测从2023年的仅0.1百万单位增长到2029年的7百万单位，复合年增长率为104%。这一增长主要由数据中心应用驱动，特别是AI基础设施，随着数据速率提高，LNOI的能源效率优势变得越来越有价值。该技术在光量子技术、激光雷达系统和先进传感应用中也显示出潜力，这些应用中高性能调制至为重要。

图8：LNOI市场增长预测，单位出货量从2023年的0.1百万增加到2029年的7百万，强调了其在实现AI和云基础设施下一代光通信中的作用。

用于LNOI的Smart Cut™工艺在概念上类似于SOI制造，但适应了铌酸锂的晶体特性。该工艺始于经过氢注入的单晶铌酸锂晶圆。这与具有氧化层的硅基底键合，然后通过热裂解转移精确的铌酸锂层。最终结构结合了铌酸锂的电光特性与硅基底的热力和机械优势。氧化层间层可以为温度补偿而设计，解决铌酸锂的热电和热膨胀特性，这对器件稳定性至关重要。

图9：Smart Cut™技术如何应用于创建用于射频声学滤波器和高速光调制器的薄膜铌酸锂。

硅上III-V半导体：第三个对全面光子集成关键的材料系统涉及III-V族化合物半导体，特别是磷化铟(InP)。这些材料具有直接带隙，能够实现高效光发射和探测，使其成为激光器和光电探测器不可或缺的材料。然而，传统的III-V衬底对大规模应用提出了重大挑战：它们成本高昂（通常比硅晶圆贵10-20倍）、仅有较小直径（通常为100-150毫米，而硅为300毫米）、机械脆弱且由相对稀缺的元素组成。

Smart Cut™工艺通过将超薄层的InP转移到硅支撑晶圆上，创建硅上磷化铟(InPOSi)工程化衬底，解决了这些限制。这是一项实质性的技术成就，因为它需要适应这些不同材料之间的晶格常数和热膨胀系数的显著差异。该工艺成功转移了具有低缺陷密度的薄（约0.5μm）单晶InP层，适用于随后外延生长更复杂的III-V结构。

这种方法提供了多项显著优势。首先，与块状晶圆相比，它将InP材料使用量减少约1000倍（0.5μm与500μm厚度），解决了成本和资源稀缺的问题。其次，通过硅支撑提供大幅改进的机械强度，消除了困扰传统InP晶圆的处理和破损问题。第三，它使捐赠InP晶圆能够被回收并多次重复使用，进一步提高材料效率和成本效益。最后，它创建了与更大晶圆尺寸和标准半导体处理设备兼容的平台，可能实现与硅技术相当的批量制造。

图10：使用Smart Cut™技术创建的实际100毫米硅上磷化铟晶圆，展示了这些不同材料的成功集成。

图11：块状InP和InPOSi的结构比较，其中脆性InP材料由坚固的硅基底支撑，显著改善了处理和加工能力。

图12：InPOSi的材料效率优势，显示与传统块状晶圆的500μm相比，仅需0.5μm的InP。

测试已经证实，InPOSi衬底是额外III-V层外延生长的优秀模板。Smart Cut™工艺保留了转移的InP层的晶体质量，保持了与原始块状材料相当的低穿线位错密度。这允许随后外延生长具有高结构和光学质量的复杂结构，如多量子阱(MQW)。实验已经成功地证明了通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)在InPOSi衬底上生长AlGaInAs MQW结构，透射电子显微镜确认了明确定义的量子阱界面和良好的晶体质量。这些结构构成了激光器、半导体光放大器和其他有源光子组件的基础。

图13：在Smart Cut™ InP种子层上通过MOCVD生长的AlGaInAs多量子阱的TEM图像，展示了用于激光器应用的外延结构的高质量。

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未来方向：人工智能时代的工程化衬底

人工智能的爆炸性增长正在对高带宽、能源高效互连创造空前需求。由先进工程化衬底实现的硅基光电子正在成为解决这些挑战的关键技术。Soitec的Smart Cut™技术为创建下一代光子和电子器件所需的高性能材料提供了基础。

Smart Cut™基础解决方案的技术优势贯穿光子器件制造链的始终。超高均匀性和厚度控制直接转化为无源组件中的波长变化减少，最小化对功耗大的热补偿的需求。转移层的表面质量导致光学散射和传播损耗降低，提高整体系统效率。集成不同材料的能力 - 硅用于波导和无源组件，铌酸锂用于高速调制，III-V半导体用于光生成和探测 - 实现了每个功能性能优化的综合光电子集成线路。

从制造角度来看，这些工程化衬底提供了显著优势。它们与成熟的半导体加工设备和设施的兼容性降低了光子器件生产所需的资本投资。Smart Cut™工艺的材料效率，特别是多次回收利用捐赠晶圆的能力，解决了经济和可持续性关切。扩展到更大晶圆尺寸（300毫米）符合半导体行业的经济模式，其中每器件成本随晶圆直径增加而降低。这些优势结合起来，为基于Smart Cut™的工程化衬底作为下一代光子技术的基础创造了有力的技术和经济理由。

随着数据中心继续扩展和AI工作负载增加，对能源高效、高带宽光互连的需求只会增长。基于Smart Cut™技术的工程化衬底 – 包括用于硅基光电子的SOI，用于高速调制器的LNOI，以及用于集成光源的InPOSi – 将是AI时代"照亮可持续和更快数据通信之路"的关键推动者。

这些工程化衬底代表的先进材料、精密工程和半导体制造技术的融合正在为AI和云计算基础设施的持续发展创造新基础，确保计算能力的指数增长可以在不成比例增加能源消耗的情况下继续。

参考文献

[1] R. Taibi, "Smart Cut™ Technology Driving the New AI Era with SOI, Lithium-rich materials and III-V based engineered wafers," Soitec, Apr. 22, 2025.

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