把“命門”掌握在自己手中

我國(guó)光電子芯片，已在豫北小城鶴壁獲得突破。其中的PLC光分路器芯片早在2012年就實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，迫使國(guó)外芯片在中國(guó)市場(chǎng)的價(jià)格從每晶圓最高時(shí)2400多美元降到100多美元。目前已占全球市場(chǎng)50％以上份額。

更了不起的是，他們研發(fā)的陣列波導(dǎo)光柵（AWG）芯片，在骨干網(wǎng)、高速數(shù)據(jù)中心及5G基站前傳等領(lǐng)域獲重大突破，其中，骨干網(wǎng)AWG進(jìn)入相關(guān)領(lǐng)域知名國(guó)際設(shè)備商供應(yīng)鏈，高速數(shù)據(jù)中心及5G應(yīng)用技術(shù)有望在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中領(lǐng)跑。近日，他們已在5G前傳循環(huán)型波分復(fù)用、解復(fù)用芯片核心技術(shù)方面，開始實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作。

攻克光電子芯片三大壁壘

5月17日，科技日?qǐng)?bào)記者前往鶴壁采訪。在仕佳光子展廳里，吳遠(yuǎn)大介紹，在目前世界上100多類高端光電子芯片中，國(guó)內(nèi)有兩大類全系列化芯片技術(shù)基本實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。一類是主要應(yīng)用于光纖到戶接入網(wǎng)中的PLC光分路器芯片，另一類是主要應(yīng)用于骨干網(wǎng)、城域網(wǎng)、高速數(shù)據(jù)中心和5G領(lǐng)域的陣列波導(dǎo)光柵芯片。“這兩類芯片，都是我們公司研發(fā)的。”吳遠(yuǎn)大說(shuō)。

今年45歲的吳遠(yuǎn)大，是中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究員，主要致力于高性能無(wú)源光電子材料與器件的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，同步開展PLC光分路器芯片及陣列波導(dǎo)光柵芯片的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)開發(fā)工作。2011年，作為我國(guó)光電子事業(yè)主要開拓者王啟明院士團(tuán)隊(duì)的一員，他與所里的6個(gè)年輕人一起，來(lái)到鶴壁擔(dān)任河南仕佳光子科技股份有限公司常務(wù)副總裁，開展院企合作，開啟我國(guó)高端光電子芯片的產(chǎn)業(yè)化之路。

吳遠(yuǎn)大說(shuō)，在國(guó)家863計(jì)劃、973計(jì)劃項(xiàng)目資助下，中科院半導(dǎo)體所對(duì)這些芯片已經(jīng)開展了十多年的基礎(chǔ)研究，但由于三方面原因，此前一直沒(méi)有產(chǎn)業(yè)化。

一是高質(zhì)量的高折射率差硅基SiOx集成光波導(dǎo)材料基礎(chǔ)薄弱。微電子技術(shù)中二氧化硅薄膜材料的厚度，一般僅為幾百納米；而平面集成光波導(dǎo)芯片中，則要求二氧化硅膜的厚度高達(dá)幾個(gè)微米，甚至幾十個(gè)微米，要求無(wú)龜裂、無(wú)缺陷，且更偏重二氧化硅材料的光傳輸性質(zhì)。國(guó)外生長(zhǎng)硅基SiOx集成光波導(dǎo)材料的方式主要有兩種：以歐美為代表的化學(xué)氣相沉積法（PECVD），以日本、韓國(guó)為代表的火焰水解法（FHD）。PECVD法精度較高，操控性好；FHD法生長(zhǎng)速率快，產(chǎn)業(yè)化效率更高，二者各有優(yōu)缺點(diǎn)。而國(guó)內(nèi)缺乏相關(guān)應(yīng)用基礎(chǔ)研究。

二是芯片工藝水平達(dá)不到芯片產(chǎn)業(yè)化需求，特別是在整張晶圓的均勻性、穩(wěn)定性方面，如二氧化硅厚膜的高深寬比和低損耗刻蝕工藝。

三是在產(chǎn)業(yè)和市場(chǎng)導(dǎo)向上，過(guò)去偏重于買，拿市場(chǎng)換技術(shù)。

“我們帶著這些研究成果來(lái)到鶴壁，也許是厚積薄發(fā)，2011年建立專用研發(fā)生產(chǎn)線，2012年就完成產(chǎn)業(yè)化工藝技術(shù)開發(fā)，2015年P(guān)LC光分路芯片全球市場(chǎng)份額達(dá)到50％。那一年，我們出貨芯片2000多萬(wàn)顆；今年前4個(gè)月，每月產(chǎn)量都在200萬(wàn)顆以上。國(guó)際上芯片產(chǎn)業(yè)化十來(lái)年才能走完的路，我們?nèi)哪昃蛯?shí)現(xiàn)了。”吳遠(yuǎn)大說(shuō)。

兩大研發(fā)計(jì)劃，攻克兩座光電芯片山頭

在光分路器芯片成功實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的同時(shí)，他們又把目光投向了陣列波導(dǎo)光柵芯片（AWG）開發(fā)。

2013年，國(guó)家863計(jì)劃“光電子集成芯片及其材料關(guān)鍵工藝技術(shù)”項(xiàng)目，由仕佳光子牽頭承擔(dān)，吳遠(yuǎn)大擔(dān)任課題負(fù)責(zé)人。

他們采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積和火焰水解法相結(jié)合的二氧化硅厚膜生長(zhǎng)原理，改進(jìn)厚膜生長(zhǎng)設(shè)備，通過(guò)對(duì)多層結(jié)構(gòu)的二氧化硅材料進(jìn)行多組分、抗互溶的摻雜，結(jié)合梯度高溫處理及干法刻蝕工藝制程，獲得了不同折射率差的低損耗、低應(yīng)力、高品質(zhì)、高折射率差SiOx光波導(dǎo)材料，且材料生長(zhǎng)效率顯著提升，彌補(bǔ)了硅基SiOx集成光波導(dǎo)材料基礎(chǔ)薄弱的難題，為AWG芯片的產(chǎn)業(yè)化打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

進(jìn)一步，在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“高性能無(wú)源光電子材料與器件研究”資助下，又攻克了多項(xiàng)芯片關(guān)鍵工藝技術(shù)，在六英寸硅基／石英基SiOx晶圓工藝的均勻性、重復(fù)性和穩(wěn)定性方面獲得了專利或?qū)Ｓ屑夹g(shù)，培養(yǎng)了十多位專項(xiàng)工藝技能人才，實(shí)現(xiàn)了芯片工藝能力與產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的融合融通，研制成功的4通道、8通道及16通道AWG芯片，打破了國(guó)外對(duì)我國(guó)高性能AWG芯片產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的長(zhǎng)期壟斷，實(shí)現(xiàn)了在國(guó)際市場(chǎng)上與國(guó)外企業(yè)同臺(tái)競(jìng)爭(zhēng)。

目前，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)擁有AWG芯片設(shè)計(jì)及工藝核心發(fā)明專利十多項(xiàng)，并獲得了2017年度國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，提升了我國(guó)下一代（5G）通信主干承載光網(wǎng)絡(luò)和光互連建設(shè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

開辟高速DFB激光器芯片產(chǎn)業(yè)化新征程

現(xiàn)在，仕佳光子又引進(jìn)中科院半導(dǎo)體所王圩院士團(tuán)隊(duì)，開始了高速DFB激光器芯片產(chǎn)業(yè)化的新征程。

兩個(gè)院士團(tuán)隊(duì)的13名專家常年駐扎在鶴壁。鶴壁則以仕佳光子為龍頭，引進(jìn)了上海標(biāo)迪、深圳騰天、威訊光電等十多家上下游配套企業(yè)，成立了6大省級(jí)以上技術(shù)研發(fā)創(chuàng)新平臺(tái)。一個(gè)有“芯”的“中原硅谷”正在鶴壁崛起！

“中國(guó)芯片雖然已經(jīng)在個(gè)別領(lǐng)域趕上了國(guó)外先進(jìn)水平，甚至超越了國(guó)外技術(shù)。” 但是，吳遠(yuǎn)大說(shuō)，“整體而言，要全面追趕上還需要20年。所以，必須瞄準(zhǔn)主要芯片，全面實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化！”而這正是他們下一步要攻克的目標(biāo)。