石墨烯晶片，打破 AI 互連瓶頸

“如果電子瓶頸不存在，資料可以在晶片間無縫傳輸，那會怎樣？” Black Semiconductor的首席技術官兼聯合創始人 Cédric Huyghebaert 正是用這個問題，概括了這家歐洲最具創新精神的光子學初創公司之一的雄心壯志。在埃因霍溫舉行的 2025 年歐洲光子積體電路峰會 (PIC Summit Europe 2025) 上，他闡述了公司如何利用石墨烯的獨特特性，將光子學直接融入半導體生產。“我們稱之為一種新型晶片，”他說道，“因為現在，你的 CMOS 晶片可以同時使用兩種語言：電子學和光子學。”

從實驗室到工廠：石墨烯的漫長道路

“當我們開始研究石墨烯時，”休格巴特回憶道，“所有人都認為我們找到了新的矽。”憑藉其非凡的遷移率和導電性，研究人員設想用石墨烯完全取代CMOS電晶體。“但幸運的是，”他笑著說，“石墨烯沒有帶隙。它具有奇特的能帶結構，而這最終成為了我們的優勢。”

他解釋說，早期的實驗很簡單：在實驗室裡剝離出一層原子厚的石墨烯。“我們用光照射它，發現它吸收了2.3%的光；對於單層石墨烯來說，這已經很多了，但還不足以製造器件。”關鍵的突破在於科學家們將石墨烯層壓到波導上，使光能夠反覆與石墨烯層相互作用。“這樣你就可以調節吸收率，甚至可以根據需要吸收所有光，”休格巴特說道。

這一發現開啟了石墨烯調製器和光電探測器的研發之路，這些器件能夠以驚人的速度操控和探測光。“它在實驗室裡表現出色，”他說。“但如何將其與電子器件連接起來？如何將其規模化生產？這就是Black Semiconductor的創立初衷。”

一種新的晶片類別：史詩級晶片（EPIC），而不僅僅是單晶片晶片（PIC）

傳統的光子學和電子學融合方法依賴於複雜且成本高昂的先進封裝技術：鍵合、減薄和堆疊多個晶片。“這非常複雜，”Huyghebaert說道。“我們提出的替代方案是EPIC：電子-光子積體電路。我們利用標準工業流程整合這兩種技術。無需剝離工藝，也無需特殊工具。”

其結果是革命性的簡潔性：可以在標準CMOS生產線內製造的光子器件，使資料傳輸不再依賴於電子，而是通過光來實現。“無論你在下面的晶片上製造什麼，”他說道，“它突然間就能用兩種語言交流了。它既可以進行電子計算，也可以進行光通訊。這徹底改變了遊戲規則。”

挑戰：質量、可重複性、可擴展性

石墨烯的潛力與它的難題不相上下。“你不能直接去找代工廠讓他們把石墨烯整合到晶片上——至少我們還沒找到能做到的，”休格巴特坦言。主要問題是什麼？質量和可重複性。“眾所周知，石墨烯性能優異，但穩定性較差，”他說。“所以我們正在研發單晶石墨烯，先在200毫米晶圓上生長，然後再擴展到300毫米。這對於穩定性至關重要。”

轉移過程也十分棘手。“我們先在範本上生長石墨烯，然後將其轉移到晶圓上，但保持其完美無瑕卻很難。在CMOS技術的歷史上，可重複性也是關鍵瓶頸，直到業界掌握了控制柵極氧化層的方法。現在，我們必須對石墨烯也做到這一點。”

第三個挑戰是可擴展性。“即使這項技術成功了，我們每年能生產10萬片晶圓嗎？100萬片呢？”他問道。“如果想在每個晶片上都應用光子技術，就需要制定大規模生產的計畫。”

歐洲的石墨烯時刻

總部位於亞琛的Black Semiconductor公司通過與歐洲的合作找到了答案。“歐洲在石墨烯研究領域有著深厚的傳統，”Huyghebaert提醒聽眾，並提到了歐盟的石墨烯旗艦計畫。“因此，在2021年，我們開始與政策制定者對話，說服他們歐洲應該將這項技術留在本土。”

他們的提案成功了。2024年6月，Black Semiconductor獲得了IPCEI（歐洲共同利益重要項目）的資助，用於建設一條300毫米整合石墨烯光子學試驗生產線。“我們目前正在設計這座晶圓廠，”Huyghebaert說道，“它將於2026年中期投入營運，2027年初全面投產，產品樣品也將很快推出。”

公司的發展速度同樣迅猛。“2022年我們只有兩個人，”他說，“現在我們有130人，明年就會達到240人。”如此快速的發展也帶來了挑戰。“招聘人才很難，”他坦言，“但讓人才各司其職更難。新人需要時間才能高效工作；這正是我們目前正在努力的方向。”

超越矽光子學

當今的矽光子（SiPh）技術——光互連的主力軍——在整合到晶片製造的後端工藝（BEOL）時面臨諸多限制。“SiPh需要高溫和與BEOL不相容的材料，”Huyghebaert解釋道。“相比之下，石墨烯則完美契合。它工作溫度低，與CMOS工藝相容，並且能夠實現高速調製器和探測器。”

他認為，這種相容性可以重新定義電腦架構。“它使我們能夠重新思考晶片之間的通訊方式；直接通過光，在同一堆疊內進行通訊。這就是我們打破阻礙人工智慧發展的互連瓶頸的方法。”

在公司的願景視訊中，他簡潔地總結道：“石墨烯光子學消除了電子瓶頸，實現了無限的資料吞吐量。”

下一步：玻璃和光

Black Semiconductor公司也在開發玻璃面板中介層，這是一種新興的下一代計算平台。“玻璃可以減少訊號損耗，提高頻寬，並支援更複雜的系統架構，”Huyghebaert表示，“結合整合石墨烯光子技術，它可以在晶片之間建立無縫的光學結構。”

在早期的實驗室測試中，他們的石墨烯調製器已經展現出令人矚目的速度：目前為 5 GHz，並計畫實現 20-25 GHz 的調製速度和 60 GHz 的光電探測器。“我們才剛剛起步，”他說，“但我們知道前進的方向。”

邁向後矽時代

最後，休格巴特提到了他在創立Black Semiconductor之前發表的最後一篇學術論文。“論文題目是《二維材料可以讓後端生產線變得智能》。而這正是我們正在做的：讓後端生產線變得更智能。”

他說，他們的目標不是取代CMOS，而是對其進行增強，將晶片背面變成有源光學層。“這是新型晶片的首款產品。電子和光子真正實現了整合。這就是我們重新思考計算的方式。”

休格巴特的訊息很明確：電腦領域的下一次革命不會僅僅來自更快的電晶體；它將來自光，光流過單層碳。 (半導體行業觀察)