未來光芯片時代，大尺寸鈮酸鋰晶片不會再被卡脖子

據濟南日報5月19日報道，近年半導體產業科學界正在謀劃用光子芯片取代電子芯片，濟南主動布局，其最新的一項“揭榜掛帥”科研攻關項目研制成功，在全球率先研制出了12英寸(直徑300mm)的超大尺寸光學級鈮酸鋰晶體。

據悉，完成這項科研攻關的是山東恒元半導體科技有限公司，該公司成立于2021年，自成立以來，一直致力于鈮酸鋰、鉭酸鋰等光電材料、壓電材料的研發、生產及銷售。通過20年不間斷的探索與研究，公司團隊已擁有從晶體生長設備的設計、均勻多晶料制備、晶體生長及缺陷控制技術以及晶體后處理技術的全鏈條自主知識產權，掌握了大尺寸鈮酸鋰晶體生長產業化所需的關鍵核心技術。

經過兩年的攻關，經歷了數十次失敗，恒元半導體相繼攻克12英寸鈮酸鋰晶體生產設備的設計、晶體生長及缺陷控制、晶體后處理等全鏈條關鍵核心技術，獲得授權4項國家發明專利，終于在全球首先突破了12英寸鈮酸鋰晶體生長技術。目前，恒元半導體通過科技成果轉化，已經開始批量生產6-8英寸Z軸、X軸光學級鈮酸鋰晶體。三年內，恒元半導體計劃將晶圓年產量達到25萬片。


鈮酸鋰對光芯片的意義

哈佛大學研究報告指出：鈮酸鋰對于光子學的意義，等同于硅對于電子學的意義。據悉，酸鋰晶體是一種具有壓電、電光、聲光及非線性光學等多種效應的多功能晶體材料，且物理化學性質穩定，是至今人們所發現的光子學性能最高、綜合指標最好的一種人工晶體，是集成光電子技術的核心基礎材料。研究表明，基于鈮酸鋰光學平臺開發出的全球領先微波光子芯片，可運用光子進行超快模擬電子信號處理及運算，比傳統電子處理器快1000倍，不僅能耗更低，而且應用范圍廣闊，涵蓋無線通信、高分辨率雷達、人工智能、計算機視覺、圖像/視頻處理等多個領域。

調制器為光模塊核心部件之一，鈮酸鋰材料也是調制器的重要組成部分。調制器是光模塊的重要組成部分之一，其主要功能是將電信號轉化為可傳輸的光信號。根據頭豹研究院 2022年6月報告，在中端光模塊中，預計 2023 年薄膜鈮酸鋰調制器成本構成中,直接材料費比例達到 59%，因而鈮酸鋰材料在調制器中也是重要組成部分之一。

大尺寸鈮酸鋰晶片市場仍被國外廠商壟斷，國產率低于5%。從各公司鈮酸鋰晶體產品指標對比看，如厚度偏差、翹曲度、透光范圍等核心指標國內企業已接近國外第一梯隊日本住友金屬、德國 Korth Kristalle 等企業，國產替代值得期待。

根據華經產業研究院觀點，預計2025 年全球鈮酸鋰晶體需求有望達到 802.7-807.6 萬片。預計 2025 年全球鈮酸鋰晶體市場規模有望達到 35.0-40.4 億元，2022-2025 年 CAGR 17.9%-23.6%，其中光模塊領域薄膜鈮酸鋰市場規模的占比將有望達到 7.2%-19.6%。


光芯片制備難點

光芯片工藝流程復雜，外延生長為技術壁壘最高的環節。以激光器芯片為例，光芯片的工藝流程可分為芯片設計、外延生長、晶圓制造、芯片加工與測試。區別于集成電路IC芯片，光芯片在芯片設計環節的附加值較低，核心技術集中于生產制造環節。在制造工藝上，與電芯片側重于光刻工藝追求先進制程不同，光芯片性能的提升不完全依靠尺寸的減小，更注重外延結構設計與生長。

襯底：InP/GaAs材料經提純、拉晶、切割、拋光、研磨制成單晶體襯底，用于外延生長。我國在InP和GaAs襯底方面已基本具備進口替代的能力，根據Yole，國產廠商北京通美在2020年已成為全球InP襯底第二大供應商，市占率高達35%，僅次于住友電工；在2019年全球GaAs襯底市場中占據13%的市場份額，位居行業第三。

外延生長：外延生長是指在襯底片表面生長單晶多層二維狀結構，最終生長成PN結結構的過程。目前常用的外延生長工藝包括有機金屬化學氣相沉積MOCVD、分子束外延MBE。外延層的厚度、比例、缺陷控制等參數直接決定了光芯片的發射波長、效率、可靠性、老化等性能指標和良率，因此外延生長是光芯片制備過程中最重要的一環。

外延工藝的核心壁壘在于：對材料的理解：外延片采用多層堆疊結構，各層材料的生長需受限于外延層和襯底材料晶格常數、熱膨脹系數等匹配要求，控制材料應變問題，這對外延層材料的選擇提出了較高的要求；工程制造能力：外延片對多層堆疊結構每層厚度的精準控制能力要求較高，通常需要在1μm以下且均勻；對光電特性的理解：對激光的橫模與縱模、有源區量子阱等光特性的理解，以及對等效的電阻、寄生的電容電感等電特性的理解，均直接影響外延片的設計效率，及最終光芯片的電光轉換效率等核心性能；對設備的理解：外延開發需廠商投入大量時間調試機臺的條件參數，對時間成本和設備工程師的Know-how積累有較高的要求。

晶圓制造：晶圓制造包括光柵制作、波導光刻、氧化物沉積、刻蝕等工序；其中，光柵工藝是在涂有光刻膠的基板上定義出光柵結構對應的掩膜圖形，再利用刻蝕技術將掩膜上的圖形轉移至襯底上形成最終的光柵結構，會影響光芯片產品的出光功率、可靠性、極限工作溫度等性能參數，是光芯片晶圓制造的關鍵步驟之一。目前光柵工藝主要分為全息光柵工藝和電子束光柵工藝兩種。

芯片加工與測試：包括解理鍍膜、封測分選、自動化芯片測試、芯片高頻測試、可靠性測試驗證測試等環節。

光芯片的制備難度隨調制速率提升、特殊波長的選擇而增加。通過對比源杰科技25G DFB和2.5G DFB的生產工藝，可發現具有更高調制速率的光芯片制備難度更高。對設計和制造精度要求更高：25G DFB量子阱有源區堆疊層數更多，在保證芯片尺寸的前提下對每一層外延生長參數精準控制的要求進一步提升，以及對諧振腔的幾何形狀、折射率分布等參數均需精準把控；對材料和設備的要求更高：25G DFB必須使用電子束光柵設備進行光柵制作，對刻蝕、光刻機等設備性能要求更高；質量控制要求更嚴格：25G DFB的測試條件更加多維，整套生產工序超過280道，較中低速產品多出50-70道。

從發射波長看，同一速率下不同波長光芯片的色散和光衰減速度并不相同。相較于1310nm和1550nm波長，10GPON數據下傳和上傳所需的1577nm和1270nm波長光芯片的光信號色散代價大、光纜損耗高，導致內部結構設計和生產難度加大。因此，要實現光通信芯片速率升級和多波長產品覆蓋，需要長期的研發投入和生產工藝經驗的積累。

光芯片工藝層面標準化程度較低，IDM模式為主流。光芯片側重于生產制造環節，其性能依賴于具體的制造工藝，這就決定了IDM模式（芯片設計-制造-封測全鏈條布局）在光芯片生產過程中優勢突出：IDM模式使得光芯片設計與晶圓制造環節能夠相互反饋驗證、靈活調整參數，精準觸達產品設計、生產、測試中的任何問題；形成完整的閉環流程，保證工藝穩定性并有效防止工藝Know-how外流。海外頭部廠商如II-IV、Lumentum、住友電工等多均采用IDM模式，覆蓋芯片設計、外延生長、晶圓制造、芯片加工與測試全流程。


未來技術方向

（1）硅光技術

傳統光模塊：可調制、接收光信號，包含光發射組件、光接受組件、光芯片等器件，在磷化銦基底上利用封裝技術進行集成。

硅光光模塊：采用硅光子技術的光模塊。硅光技術是在硅和硅基襯底材料（如Si,SiGe,SOI等）上，利用CMOS工藝進行光器件開發和集成的新一代技術，其核心理念用激光束代替電子信號進行數據傳輸。逐漸從光子集成向光電集成發展，目前通信領域主要是光子集成的硅光模塊。

硅光模塊最大特點高度集成。硅光芯片通過硅晶圓技術，在硅基上制備調制器、接收器等器件，從而實現調制器、接收器、無源光學器件的高度集成。

與傳統光模塊相比，硅光模塊存在成本低、工藝精度高、產業鏈成熟三大優勢。成本低：硅光芯片的襯底價格更低，其中Si襯底價格最低，為0.2$/2，而InP襯底價格為4.55$/2，是Si襯底價格的20多倍。在功能晶圓價格方面，硅光芯片價格下降更為明顯。另外，傳統InP光模塊由于良率低、固定開支成本等原因導致其成本進一步上升。工藝精度高、良率高：硅光芯片工藝精度可達65-250nm，傳統光模塊工藝精度最多達到300nm。硅光芯片良率大于80%，而傳統光芯片良率不足40%。產業鏈成熟：硅光模塊可使用目前較為成熟的CMOS集成電路產業，量大成本低。


（2）薄膜鈮酸鋰

鈮酸鋰材料主要用于制作電光調制器，電光調制器可以將電信號轉化為光信號，并在光信號傳輸中實現信號的調制，其他傳統的電光調制器還包括硅基電光調制器和磷化銦（InP）電光調制器，其中鈮酸鋰性能優勢最為顯著，并在光通信等領域已被廣泛的應用和驗證。然而，鈮酸鋰電光調制器存在尺寸大、難以集成和驅動電壓高等缺點，薄膜鈮酸鋰便可以很好的解決這些缺點，通過將鈮酸鋰體材料薄膜化并鍵合到硅襯底上制備出絕緣體上薄膜鈮酸鋰（LNOI）材料，即通過“離子切片”的方式，從塊狀的鈮酸鋰晶體上剝離出鈮酸鋰薄膜，并鍵合到帶有二氧化硅緩沖層的硅晶片上。相比之下，薄膜鈮酸鋰調制器的尺寸更小，帶寬更高，而薄膜鈮酸鋰材料也有望使用于大規模的光子集成。

光子芯片產業剛起步，未來應用前景巨大

在面向“后摩爾時代”的潛在顛覆性技術里，光子芯片已進入人們的視野。其所具有的高速度、低能耗、工藝技術相對成熟等優勢，能夠有效突破傳統集成電路物理極限上的瓶頸，滿足新一輪科技革命中人工智能、物聯網、云計算等產業對信息獲取、傳輸、計算、存儲、顯示的技術需求。

目前，全球光子芯片產業剛剛起步，作為獨立于電子集成技術的新集成技術，其技術壁壘還沒有形成，這為我國光子芯片提供了足夠的研發時間與市場空間，也為我國信息產業發展提供了巨大的機會。

2023年11月發布的《光子時代：光子產業發展白皮書》顯示，我國光子產業發展水平與世界處于并跑階段，在光子基礎理論研究和技術發展方面具有一定的優勢，中國擁有世界規模最大的從業人數，光子產業在2012—2020年的復合增長率已經接近23%，光子產品全球份額也從2005年的10%提升到2019年的30%。

據Gartner預測，到2025年全球光子芯片市場規模有望達561億美元。華為戰略研究院認為，光子產業發展前景巨大，光子核心組件市場價值不低于3200億美元（約合人民幣超2萬億元），未來還將撬動產業創造2.6萬億美元（約合人民幣超16萬億元）產值。