【2025九峰山论坛】破局摩尔定律：异质异构集成如何撬动新赛道？

在半导体产业不断演进的历程中，异质异构集成技术正逐渐成为推动行业突破现有瓶颈、迈向全新发展阶段的关键力量。在这样的产业变革背景下，九峰山论坛暨化合物半导体产业博览会于武汉光谷盛大召开，吸引了来自美国、比利时、奥地利及中国等多国的行业领军企业高管与技术精英共襄盛举。会议期间，超200场主题演讲密集释放前沿洞察，其中异质异构集成技术平行论坛吸引了众多目光，业内权威科研机构、领军企业及专家代表汇聚一堂，围绕技术演进路径展开深度思辨。

在这场由材料革命引发的产业重构中，光电子、功率集成、异质异构集成技术等技术集群正形成突破合力，不仅推动化合物半导体从实验室走向规模化商用，更重构了全球半导体产业的竞争格局。

正如中国工程院院士，华中科技大学校长尤政在开幕致辞中所言“中国半导体行业正以自主创新的决心，在全球产业变革中书写自己的方案。”作为这场变革的重要参与者与见证者，九峰山会议已然成为记录产业转型的关键坐标。未来，随着半导体集成工艺的成熟，泛半导体产业将在6G通信、智能汽车、量子计算等领域开启新一轮技术革命。

一、光电子领域的异质集成创新

在光电子技术高速发展的当下，异质集成创新正成为突破性能边界的关键引擎。从数据中心的高速互联到精密传感的细微洞察，光电子系统对集成度、效率与功能融合的需求持续攀升。异质集成打破材料与器件边界，将激光器、调制器等不同光电器件，以及硅基、化合物半导体等异质材料精准整合，重塑光子集成电路架构。这一创新，为光互联的带宽突破、传感精度跃升与通信场景拓展筑牢根基，驱动光电子领域迈向更智能、更高效的全新维度，开启技术变革与产业升级的新征程。

（1）光互联集成芯片：构建高速光链路

在半导体产业逼近摩尔定律极限、算力需求呈指数级爆发的时代背景下，光电融合技术正以颠覆性姿态重塑全球信息处理格局。作为新一代信息传输与处理的核心载体，光互联集成芯片通过将光发射、接收、调制、放大等功能器件高度集成于同一芯片，构建起高速低耗、抗干扰能力强的光传输链路，为高速数据通信、云计算、人工智能等前沿领域提供了坚实的技术支撑。

日本NTT公司指出，“光电融合技术是50年一遇的技术创新”。作为应对后摩尔时代挑战的关键路径，光电融合的信息处理以建模仿真为核心基础。尽管当前面临物理机制复杂、多尺度模拟困难等挑战，仍可通过技术创新并借鉴集成电路设计经验，开发更精准高效的紧凑模型与仿真工具，推动光电融合从物理制备向信息处理跃升，助力其在6G、人工智能等战略领域的应用。华中科技大学集成电路学院教授，武汉光电国家研究中心教授谭旻专家认为，光电信息产业，特别是光电融合芯片，是有条件率先实现突破的高技术产业。

在产业实践层面，杭州广立微电子研发副总裁潘伟伟指出，硅光芯片规模化量产的核心在于突破系统级良率瓶颈，而非局限于单一工艺环节的优化。这要求设计、制造、测试全流程的深度协同，以及EDA工具对硅光芯片特殊需求的针对性适配。广立微通过SemiMind平台的智能化升级，并引入DeepSeek大模型，实现了从工程工具到智能分析的跨越，充分展现了AI与大数据技术在良率提升中的关键赋能作用。

上海工研院高级技术总监蔡艳，以硅光集成平台为核心枢纽，串联起技术演进脉络、工艺突破成果与产业生态体系，清晰勾勒出从“单一器件集成” 向 “系统级异构创新” 跨越的发展路径。上海工研院全力打造具有全球影响力的 “超越摩尔” 重大功能型平台，其90 nm硅光工艺平台实力彰显，成功入选《2023上海科技进步报告》 。在技术推进上，由TSMC、GF等主导的12英寸硅光平台发力，CD、刻蚀深度等关键工艺误差实现精准把控，依托微环调制器开发的高密度集成芯片，正深度革新现有硅光集成芯片架构。而光量子计算、5G/6G通信、神经形态计算等新兴应用，持续驱动集成创新浪潮，多材料平台集成与混合解决方案开发，成为未来技术突破与产业发展的关键引擎，引领硅基光电子集成迈向更广阔的创新天地。

（2）激光器：突破光子集成电路局限

光子集成电路在现代互联、传感和计算等领域占据着愈发重要的地位，而异质集成激光器则是解锁其更大潜力的钥匙。上海曼光信息科技有限公司董事长赵佳从历史、现状、实践多维度，系统呈现半导体激光器及异质集成激光器仿真技术的发展逻辑、痛点挑战与实践路径，为技术攻坚与自主产业链构建提供专业指引，凸显异质集成技术重塑半导体产业格局的核心价值。同时着重提及，开发全国产商业化半导体激光器仿真设计平台迫在眉睫，以此填补空白，筑牢产业链安全根基。

光电子领域对微型化、高性能激光器的需求愈发迫切，传统激光器在尺寸、功耗与集成度上的短板，倒逼产业寻求突破。西北工业大学教授甘雪涛团队在报告中总结前道集成纳米线工艺，在激光器上原位直写波导，构建光子回路，不仅实现波分复用功能，更通过集成外腔，达成单模输出、低阈值驱动、窄线宽调控的特性突破，为光电子系统微型化、高性能化发展提供关键支撑，加速光子集成技术从理论到应用的落地进程。

（3）先进封装赋能光电混合集成：促进光电子与微电子融合

先进封装技术在光电混合集成中起着桥梁作用，将光电子器件与电子器件紧密结合在一起。通过采用如扇出型封装、2.5D/3D封装等先进封装技术，实现光电器件与电子器件在空间上的紧密布局，缩短信号传输距离，降低信号传输损耗与延迟。在数据中心的光模块中，利用先进封装将光发射、接收芯片与电信号处理芯片集成在一起，形成高度集成的光电混合模块，提高模块性能与可靠性，同时减小体积，降低成本，推动光电混合集成技术在数据通信、高性能计算等领域的实际应用与产业化发展。

硅基凭借优异兼容性与成熟工艺，成为功能融合最优衬底，而微电子先进封装技术，更是突破光电共封瓶颈的核心引擎。中国科学院微电子研究所刘丰满研究员，提出硅基光电混合集成三大核心趋势：一是多种先进封装技术被用于光子集成，允许所有封装共存；二是晶圆级封装成为关键抓手，推动“大系统光进铜退”进程向封装层级深度渗透；三是“单片异质集成+封装异构集成”双轮驱动，实现跨维度融合。同时，依托华进半导体与国家集成电路特色工艺及封装测试创新中心，建成8/12吋兼容的晶圆级先进封装中试线和配套封装产线，其中TSV Interposer、Fanout和FCBGA等成熟产品的产能分别为1000片/月、600片/月和100万颗/月，为产业发展筑牢制造根基。

东南大学教授王俊嘉在报告中指出，团队聚焦硅基光电子异质集成芯片关键技术突破，开展石墨烯热光调制器、电光调制器，铁电薄膜调制器，薄膜铌酸锂黑磷光电探测器，石墨烯光电探测器及黑磷光源等系列研究。这些技术突破构建起自主可控的硅基光电芯片集成工艺平台底层支撑，可广泛赋能硅基光电器件与芯片制造，兼具科学探索深度与产业应用价值，为硅基光电集成技术规模化发展筑牢根基。

先进封装与互联技术在异质异构集成中的应用是本次会议讨论的热点。通过如硅通孔（TSV）、玻璃通孔（TGV）、重分布层（RDL）以及微凸点（micro-bump）等关键技术，能够实现不同芯片和器件之间在垂直与水平方向上的高效连接与协同工作。硅通孔和玻璃通孔技术分别使用硅和玻璃材料制造通孔，作为芯片间的电连接通道，突破了传统二维互联方式的局限；重分布层技术则通过在芯片表面添加额外的互联层，优化信号传输路径，提升集成度和性能；微凸点技术则在芯片之间建立微小的凸点连接，实现更加紧凑和高效的模块组合。国内的长电科技、通富微电等企业在这些先进封装与互联技术上不断创新，取得了长足进步，有力推动了异质异构集成技术的产业化应用。

二、功率与射频领域的异质异构集成探索

在摩尔定律渐近极限的当下，功率与射频领域正经历技术革新的关键转折。传统单一材料与工艺的集成模式，已难以满足5G/6G通信、先进雷达系统及智能终端对高性能、小型化的严苛需求。异质异构集成技术通过将硅基、Ⅲ-Ⅴ族（如GaN、SiC）等不同材料体系的器件与电路跨工艺融合，突破物理性能瓶颈。从通信基站的射频前端集成，到新能源汽车的功率电子系统，这一技术正以跨学科融合的创新逻辑，重构从材料设计到系统级应用的全链条技术体系，成为驱动功率与射频领域向更高效率、更优性能演进的核心引擎。

（1）氮化镓集成：发挥氮化镓材料优势

氮化镓凭借其高功率密度、高效率、高电子迁移率等卓越性能，在半导体领域备受关注。氮化镓单片集成致力于将氮化镓基的各类器件，如高电子迁移率晶体管（HEMT）、二极管等集成在同一氮化镓衬底上。在工艺上，攻克了氮化镓外延生长的均匀性、器件间隔离等难题，实现了高密度、高性能的单片集成。相较于传统硅基功率器件，氮化镓单片集成器件在高频、高功率应用中展现出更低的导通电阻、更快的开关速度，可广泛应用于5G基站功率放大器、快充电源、射频雷达等领域，有效提升系统性能与能效。

氮化镓器件在高低压及集成化方向的研究对突破现有技术瓶颈、拓展应用场景（如新能源汽车、光伏、AI等）至关重要。GaN-on-SiC在高压领域的性能优势使其成为重点发展方向，而AI等新兴领域为低压GaN带来机遇。异构集成与单片集成是提升器件性能、满足系统级需求的关键路径，通过技术互补实现电子系统的优化。西安电子科技大学教授张苇杭提到西电广州第三代半导体创新中心，建立了完善的中试验证服务平台，为第三代半导体技术从研发到产业化提供了关键支撑，加速技术转化与产业升级，对我国第三代半导体产业发展具有重要战略意义。

为满足高性能芯片设计需求，PDK技术正朝着更小工艺节点迈进，以提升器件集成度与性能，同时加强与三维集成、碳化硅基氮化镓等新型工艺材料的融合。湖北九峰山实验室无线领域首席专家吴畅也指出，GaN-on-Si凭借成本低、CMOS兼容等优势，可实现先进集成应用，覆盖未来小型化，低功耗，高能量密度场景，在5G基站、手机终端和通信中潜力巨大。吴首席表示，九峰山实验室于2025年1月正式对外发布的基于6英寸平台的0.1μm GaN-on-Si PDK，可实现国内RF GaN-on-Si技术重要布局。此外，JFS提出了国内首套面向Ka频段以上的GaN-on-Si解决方案。目前已完成100 nm硅基氮化镓工艺及器件和PDK的完整开发。

（2）毫米波三维异质异构集成：推动5G及未来通信发展

在5G全面普及与6G探索不断深入的背景下，毫米波频段成为通信技术演进的核心战场。毫米波三维异质异构集成技术通过三维堆叠与异质集成，将毫米波射频芯片、基带处理芯片、电源管理芯片等功能各异的芯片有机组合。依托先进的硅通孔（TSV）技术，芯片间实现垂直方向的高速互联，大幅缩短信号传输路径，显著降低传输损耗与延迟；同时，通过精准选择衬底材料和创新封装技术，有效抑制信号干扰，全面提升毫米波通信系统的性能表现。这种集成方案不仅助力5G基站实现小型化、轻量化目标，显著提升通信容量与速率，更为未来6G复杂通信场景与功能的实现筑牢技术根基。

凭借频谱资源丰富、器件尺寸小、传输速率高等显著优势，毫米波频段已广泛应用于5G通信、自动驾驶雷达、生物医疗等前沿领域。上海交通大学电子信息与电气工程学院副院长周亮在报告中指出，通过异质生长或异质键合等方式，可将GaAs、GaN、InP等化合物半导体（CS）材料的高性能有源器件，以及RF MEMS、IPD等高性能无源器件，与硅基低成本、高集成度、高复杂度的数字/模拟/混合电路模块，集成为一个完整的2维至3维毫米波集成电路。并强调，当前摩尔定律正面临极限挑战，转折点日益临近，而异质集成技术将为我国集成电路产业实现变道超车发展提供历史性机遇。

三、集成技术与关键工艺的探讨

集成技术与关键工艺作为异质异构集成的基石，其每一次创新都深刻影响着半导体产业格局。无论是晶圆键合面临的大尺寸挑战与化合物半导体适配难题，还是微转印集成技术带来的灵活创新可能，都成为科研与产业界竞相探索的前沿领域。

（1）大尺寸晶圆键合与化合物半导体晶圆键合：实现晶圆级集成

晶圆键合是实现异质异构集成的关键工艺之一。大尺寸晶圆键合面临着键合均匀性、应力控制等挑战。随着晶圆尺寸增大，键合过程中不同区域的温度、压力均匀性难以保证，容易导致键合强度不一致、产生应力集中，影响集成芯片性能。在化合物半导体晶圆键合方面，由于化合物半导体材料特性与硅基材料不同，如晶格常数、热膨胀系数差异，使得键合工艺更为复杂。在九峰山论坛上，相关企业与科研机构分享了通过优化键合工艺参数，如采用低温键合技术减少热应力影响，以及开发新的键合材料与界面处理方法，提升化合物半导体晶圆键合质量，为大规模、高性能异质异构集成提供可靠的工艺基础。

在半导体产业的后摩尔时代，晶圆键合与减薄作为关键共性技术，于芯片先进封装、MEMS传感器、功率电源及光电子芯片等领域展现出重大产业化价值。甬江实验室功能材料与器件异构集成研究中心主任万青，成功发明低成本室温临时键合技术。该技术可实现大尺寸（6-12英寸）单晶硅、铌酸锂/钽酸锂晶圆与玻璃、硅片衬底间的平整键合，为相关领域的技术革新与产业发展提供了有力支撑。

（2）微转印集成技术：提供灵活集成方案

微转印集成技术为异质异构集成提供了一种灵活且高效的手段。该技术可以将不同材料、不同尺寸的微小芯片或器件，通过特殊的转印工艺精确放置在目标衬底上预定位置。与传统的光刻、刻蚀等集成工艺相比，微转印集成技术不受光刻分辨率限制，能够实现更精细、更复杂的集成结构。在制备包含多种功能芯片的系统级封装时，可利用微转印技术将预先制备好的各类芯片精准转移集成，大大缩短制备周期，提高生产效率，且能更好地适应小批量、多品种的产品需求，为新型芯片集成设计与制造提供了创新思路。

上海大学副教授叶楠团队创新突破，提出微转印集成技术，凭借高集成密度、高有源材料利用率及高对准精度，攻克传统工艺瓶颈。开发无栓绳微转印方法，省去额外栓绳成型与断裂工序，实现硅基异质芯粒集成Ⅲ-Ⅴ族雪崩光电探测器。实测集成器件带宽达4GHz，暗电流13nA（@-13V），性能逼近原器件，为硅光异构集成光电探测技术规模化应用筑牢根基，推动光电融合向高效、紧凑方向进阶。

中国电子科技集团公司第五十五研究所高级工程师王宇轩团队在报告中提出，器件制备方面依托本所固态微波国家重点实验室与芯谷高频平台，已建成4英寸化合物半导体晶圆加工产线。通过对化合物半导体器件微转印集成初步探索，明确未来将向更高工程化水平迈进，朝着更优性能器件、多材料融合、多功能融合、多集成手段融合的芯片方向持续发展，为构建自主可控先进异质异构集成技术体系筑牢根基 。

四、总结

在当今半导体产业蓬勃发展的进程中，异质异构集成技术正逐渐崭露头角，成为突破摩尔定律极限的关键力量。其通过跨材料与跨工艺的深度交融与协同创新，正引领全球产业变革的浪潮，推动着产业向更高效、更先进的方向迈进。在光电子领域，硅光芯片、异质集成激光器及TSV等先进封装技术，突破带宽与集成度瓶颈，加速6G、AI场景下高速光互联应用的落地。功率与射频领域，GaN-on-SiC/Si技术凭借高效能优势，广泛渗透至5G基站、新能源汽车等场景；毫米波三维异质集成通过TSV互联实现芯片堆叠，为5G基站小型化与6G通信技术奠定基础。集成工艺方面，大尺寸晶圆键合与微转印技术突破材料兼容性与工艺精度挑战，为复杂系统级封装提供关键支撑。

未来，随着异质异构集成技术的不断成熟与完善，其势必将引发6G通信、智能汽车、量子计算等战略领域的新一轮技术革命。这不仅将重塑全球半导体产业的竞争格局，还将对整个信息产业的发展产生广泛而深远的影响。在此背景下，中国正以自主创新为核心驱动力，积极凝聚产业共识，汇聚各方力量，推动半导体行业从 “跟跑” 向 “领跑” 奔迈跨越，在全球半导体产业变革的宏大舞台上，书写着独具特色的中国方案，为世界半导体产业的多元化、均衡化发展贡献着不可或缺的中国智慧与力量。