新加坡New Silicon Corp. ：GaN MicroLED＋SiN光波导实现封装内光互连方案

新加坡初创公司New Silicon Corp. 是一家新加坡MIT联盟研究与技术中心（SMART）的孵化企业，SMART由美国麻省理工学院（MIT）与新加坡机构合作成立，聚焦可商业化转化的半导体技术研发。其核心平台是专有的CMOS+III-V族化合物半导体集成平台，以单片集成方式将化合物半导体器件与硅CMOS晶体管/器件结合。他们认为兼容传统硅制造基础设施，支持全晶圆级量产，具备高可制造性和成本效益，能打造功能先进的芯片产品。

NSC公司一开始的目标领域是面向AR/VR微显示器，这类设备对器件密度要求极高，与55nm CMOS工艺的晶体管密度相当。不过在MicroLED光互连火起来以后，他们也在最近的IPC 2025会议上，提出了一套基于GaN LED＋SiN波导的封装内集成光互连的方案。标题为Optical Streaming Links: A New Architecture for Chiplet to Chiplet Communication。

1. 引言——芯片拆分趋势与电互连瓶颈

随着传统摩尔定律晶体管缩放速度放缓，将系统级芯片（SoC）拆分为单个小芯片并集成于同一封装内，已成为持续提升系统性能的关键路径。扇出晶圆级封装（FOWLP）和硅中介层等技术虽改善了小芯片间的连接性，但传统电互连面临着难以突破的本质局限：寄生电容与电磁干扰导致通信功耗高昂，传输距离被限制在10mm以内，且在窄间距场景下易受远端串扰（FEXT）影响。

此外，先进工艺节点小芯片上的SERDES操作功耗与延迟显著，成为制约小芯片互连效率和整体系统设计优化的关键因素。因此，提升小芯片间互连的接口数据密度、链路数量和传输距离，对于降低功耗、减少设计开销、改善整体热管理至关重要。

为突破这些限制，新硅公司（nsc）提出了一种基于大规模并行、封装内发光二极管（LED）的光互连方案——光学流式链接（OSL）。该技术可大幅延伸小芯片间互连的传输距离，同时具备超低功耗特性，为先进封装设计提供更高灵活性。封装内光互连需满足超低功耗（<0.5pJ/bit）、大规模并行光源与波导，且需以亚微米精度组装的核心要求，这使得缺乏原生光源、依赖高功耗调制器和激光光源的传统硅光子学方案难以适配。

2. OSL技术架构：低功耗高并行的光互连方案

OSL的核心定位是替代传统局部硅中介层，通过TSV微凸点实现与小芯片（如GPU和高带宽内存HBM）的直接连接。其数据传输流程形成了完整的“电-光-电”转换链路：输入的电信号首先送入发射电路（TX），该电路集成了CMOS驱动电路和高速蓝光GaN microLED；电信号通过简单的NRZ调制方案对microLED进行调制，无需复杂设计开销；GaN LED发射的光信号被导入制造于LED背面的SiNₓ基波导阵列；光信号经波导传输至接收电路（Rx），由高速CMOS光电二极管和低功耗接收电路将光信号还原为电信号；最终，经缓冲后的电信号通过另一组微凸点送入目标小芯片。

传统基于microLED的光互连受限于GaN LED相对较低的调制速率，单通道速率通常仅约10 Gbps，但OSL通过大规模并行链路设计构建了超高带宽的数据通道。200mm CMOS+GaN工艺支持在小芯片接口处实现窄间距布局，可集成数千个microLED及对应的驱动电路，且无需面临大规模转移带来的良率挑战。同时，SiNₓ波导的间距可缩减至5微米以下，结合并行链路设计，有望实现超过2Tbps/mm的聚合带宽密度。SiNₓ波导的低损耗特性使得OSL的传输距离仅受限于自身芯片尺寸，远超传统电互连的10mm上限，近期目标可达25mm以上。

这一架构带来了显著的设计灵活性，例如在GPU与HBM小芯片的互连场景中，OSL支持新增第二圈HBM小芯片，大幅提升系统内存容量。更重要的是，大规模并行的光数据通道有望移除先进工艺节点小芯片上功耗高昂的SERDES模块，进一步优化系统功耗与集成效率。其关键性能指标明确：单通道数据速率超过12 Gbps，链路间距小于5um，聚合带宽密度超过2Tbps/mm，功耗低于0.5 pJ/bit，传输距离超过25mm。

3. OSL核心制造工艺：CMOS+III-V集成与波导设计

3.1 CMOS+GaN LED单片集成流程

nsc开发了一种晶圆级集成策略，可在同一200mm硅晶圆上同时制造CMOS和GaN LED器件，且完全兼容现有CMOS制造基础设施，核心通过专有双层转移工艺实现：首先，按照设计电路制造包含有源硅器件和层间电介质（ILD）的前端CMOS绝缘体上硅（SOI）晶圆；随后通过介质熔融键合将该晶圆与硅支撑晶圆键合，再通过机械研磨和化学蚀刻去除原始衬底；接着将处理后的晶圆与未加工的硅基GaN LED外延片键合，再次通过机械研磨和化学蚀刻移除硅支撑晶圆，最终形成“CMOS SOI层-埋置GaN LED器件层-硅衬底”的工程衬底，该介质晶圆键合步骤预期可实现超过95%的面键合良率。

后续流程中，通过标准光刻和蚀刻工艺形成接触GaN外延层的窗口，采用CMOS兼容的金属接触和蚀刻化学工艺在窗口内制造微LED器件；最后通过重新平整化工艺平整晶圆，再应用标准的后端工艺（BEOL）实现CMOS与microLED器件的互连。这种微米级集成方式消除了拾取-放置等大规模转移工艺带来的寄生电容和电阻，确保了器件性能的稳定性。

3.2 光学波导阵列设计与性能

BEOL工艺完成后，将晶圆与临时支撑晶圆键合并移除<111>硅生长衬底，随后采用标准SiN波导工艺在晶圆背面制造SiNₓ波导和光栅耦合器。由于LED属于非相干光源，具有大规模多模特性，因此输入光栅耦合器的优化核心在于通过光的散射和反射将光导入波导，而非激光基光子学中依赖的单模光衍射。

初步的时域有限差分（FDTD）仿真显示，经过初步优化的输入光栅耦合器与LED有源区之间的耦合效率约为-8dB，虽仍有较大优化空间，但已能满足链路的低功耗运行需求。针对串扰性能的FDTD仿真结果表明，当相邻SiNₓ波导采用窄至2.5dB的间距（远小于5um的目标间距）时，对于约束良好的传输模式，串扰约为-44.17dB；即使是弱约束模式（最坏情况，因为波导光为所有允许模式的混合），串扰也仅约为-35dB。这种低串扰特性得益于450nm蓝光LED发射器的短波长，以及SiNₓ波导与二氧化硅（SiO₂）包层之间足够的折射率差，为在更先进CMOS节点上通过增加链路数量实现超过2Tbps/mm的带宽密度扩展提供了坚实基础。

4. 结论

OSL技术通过单片集成蓝色GaN微LED、SiNₓ波导和CMOS光电探测器，构建了大规模并行的封装内光互连方案，相比传统硅中介层或FOWLP电互连，在功耗、传输距离和带宽密度上实现了突破性提升。数千个约10 Gbps速率的光链路协同工作，形成了聚合带宽密度超过2Tbps/mm的超高速数据通道，同时满足<0.5 pJ/bit的超低功耗和>25毫米的长距离传输需求。其兼容CMOS的制造流程、低串扰特性和灵活的封装适配能力，不仅解决了先进封装中小芯片互连的核心瓶颈，还为移除高功耗SERDES模块、扩展系统内存容量等设计优化提供了可能，为后摩尔时代的先进封装技术发展提供了全新的互连解决方案。