我國光電子芯片，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年就實現(xiàn)國產(chǎn)化，迫使國外芯片在中國市場的價格從每晶圓最高時2400多美元降到100多美元。目前已占全球市場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)有望在國際競爭中領(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，開始實驗驗證工作。
攻克光電子芯片三大壁壘
5月17日，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，國內(nèi)有兩大類全系列化芯片技術(shù)基本實現(xiàn)國產(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。
今年45歲的吳遠(yuǎn)大，是中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究員，主要致力于高性能無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，作為我國光電子事業(yè)主要開拓者王啟明院士團(tuán)隊的一員，他與所里的6個年輕人一起，來到鶴壁擔(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，開啟我國高端光電子芯片的產(chǎn)業(yè)化之路。
吳遠(yuǎn)大說，在國家863計劃、973計劃項目資助下，中科院半導(dǎo)體所對這些芯片已經(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)幾個微米，甚至幾十個微米，要求無龜裂、無缺陷，且更偏重二氧化硅材料的光傳輸性質(zhì)。國外生長硅基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、韓國為代表的火焰水解法（FHD）。PECVD法精度較高，操控性好；FHD法生長速率快，產(chǎn)業(yè)化效率更高，二者各有優(yōu)缺點。而國內(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)和市場導(dǎo)向上，過去偏重于買，拿市場換技術(shù)。
“我們帶著這些研究成果來到鶴壁，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份額達(dá)到50％。那一年，我們出貨芯片2000多萬顆；今年前4個月，每月產(chǎn)量都在200萬顆以上。國際上芯片產(chǎn)業(yè)化十來年才能走完的路，我們?nèi)哪昃蛯崿F(xiàn)了。”吳遠(yuǎn)大說。
兩大研發(fā)計劃，攻克兩座光電芯片山頭
在光分路器芯片成功實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的同時，他們又把目光投向了陣列波導(dǎo)光柵芯片（AWG）開發(fā)。
2013年，國家863計劃“光電子集成芯片及其材料關(guān)鍵工藝技術(shù)”項目，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原理，改進(jìn)厚膜生長設(shè)備，通過對多層結(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，且材料生長效率顯著提升，彌補了硅基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)化打下了堅實基礎(chǔ)。
進(jìn)一步，在國家重點研發(fā)計劃項目“高性能無源光電子材料與器件研究”資助下，又攻克了多項芯片關(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)了十多位專項工藝技能人才，實現(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，打破了國外對我國高性能AWG芯片產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的長期壟斷，實現(xiàn)了在國際市場上與國外企業(yè)同臺競爭。
目前，項目團(tuán)隊擁有AWG芯片設(shè)計及工藝核心發(fā)明專利十多項，并獲得了2017年度國家科技進(jìn)步二等獎，提升了我國下一代（5G）通信主干承載光網(wǎng)絡(luò)和光互連建設(shè)的核心競爭力。
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，開始了高速DFB激光器芯片產(chǎn)業(yè)化的新征程。
兩個院士團(tuán)隊的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大省級以上技術(shù)研發(fā)創(chuàng)新平臺。一個有“芯”的“中原硅谷”正在鶴壁崛起！
“中國芯片雖然已經(jīng)在個別領(lǐng)域趕上了國外先進(jìn)水平，甚至超越了國外技術(shù)。” 但是，吳遠(yuǎn)大說，“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，全面實現(xiàn)國產(chǎn)化！”而這正是他們下一步要攻克的目標(biāo)。