把“命門”掌握在自己手中

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基站前傳等領域獲重大突破，其中，骨干網(wǎng)AWG進入相關領域知名國際設備商供應鏈，高速數(shù)據(jù)中心及5G應用技術有望在國際競爭中領跑。近日，他們已在5G前傳循環(huán)型波分復用、解復用芯片核心技術方面，開始實驗驗證工作。

攻克光電子芯片三大壁壘

5月17日，科技日報記者前往鶴壁采訪。在仕佳光子展廳里，吳遠大介紹，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基本實現(xiàn)國產(chǎn)化。一類是主要應用于光纖到戶接入網(wǎng)中的PLC光分路器芯片，另一類是主要應用于骨干網(wǎng)、城域網(wǎng)、高速數(shù)據(jù)中心和5G領域的陣列波導光柵芯片。“這兩類芯片，都是我們公司研發(fā)的。”吳遠大說。

今年45歲的吳遠大，是中國科學院半導體研究所研究員，主要致力于高性能無源光電子材料與器件的應用基礎研究，同步開展PLC光分路器芯片及陣列波導光柵芯片的產(chǎn)業(yè)化技術開發(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隊的一員，他與所里的6個年輕人一起，來到鶴壁擔任河南仕佳光子科技股份有限公司常務副總裁，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。

吳遠大說，在國家863計劃、973計劃項目資助下，中科院半導體所對這些芯片已經(jīng)開展了十多年的基礎研究，但由于三方面原因，此前一直沒有產(chǎn)業(yè)化。

一是高質量的高折射率差硅基SiOx集成光波導材料基礎薄弱。微電子技術中二氧化硅薄膜材料的厚度，一般僅為幾百納米;而平面集成光波導芯片中，則要求二氧化硅膜的厚度高達幾個微米，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。國外生長硅基SiOx集成光波導材料的方式主要有兩種：以歐美為代表的化學氣相沉積法(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)缺乏相關應用基礎研究。

二是芯片工藝水平達不到芯片產(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)和市場導向上，過去偏重于買，拿市場換技術。

“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)化工藝技術開發(fā)，2015年PLC光分路芯片全球市場份額達到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鍵工藝技術”項目，由仕佳光子牽頭承擔，吳遠大擔任課題負責人。

他們采用等離子體增強化學氣相沉積和火焰水解法相結合的二氧化硅厚膜生長原理，改進厚膜生長設備，通過對多層結構的二氧化硅材料進行多組分、抗互溶的摻雜，結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、低應力、高品質、高折射率差SiOx光波導材料，且材料生長效率顯著提升，彌補了硅基SiOx集成光波導材料基礎薄弱的難題，為AWG芯片的產(chǎn)業(yè)化打下了堅實基礎。

進一步，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鍵工藝技術，在六英寸硅基/石英基SiOx晶圓工藝的均勻性、重復性和穩(wěn)定性方面獲得了專利或專有技術，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，項目團隊擁有AWG芯片設計及工藝核心發(fā)明專利十多項，并獲得了2017年度國家科技進步二等獎,提升了我國下一代(5G)通信主干承載光網(wǎng)絡和光互連建設的核心競爭力。

開辟高速DFB激光器芯片產(chǎn)業(yè)化新征程

現(xiàn)在，仕佳光子又引進中科院半導體所王圩院士團隊，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，引進了上海標迪、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)在個別領域趕上了國外先進水平，甚至超越了國外技術。” 但是，吳遠大說，“整體而言，要全面追趕上還需要20年。所以，必須瞄準主要芯片，全面實現(xiàn)國產(chǎn)化!”而這正是他們下一步要攻克的目標。(記者 喬 地)