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厚积薄发,国产PLC光分路器芯片占全球市场50%份额

来源:科技日报2019-05-21 10:12

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  把“命门”掌握在自己手中

  我国光电子芯片,已在豫北小城鹤壁获得突破。其中的PLC光分路器芯片早在2012年就实现国产化,迫使国外芯片在中国市场的价格从每晶圆最高时2400多美元降到100多美元。目前已占全球市场50%以上份额。

  更了不起的是,他们研发的阵列波导光栅(AWG)芯片,在骨干网、高速数据中心及5G基站前传等领域获重大突破,其中,骨干网AWG进入相关领域知名国际设备商供应链,高速数据中心及5G应用技术有望在国际竞争中领跑。近日,他们已在5G前传循环型波分复用、解复用芯片核心技术方面,开始实验验证工作。

  攻克光电子芯片三大壁垒

  5月17日,科技日报记者前往鹤壁采访。在仕佳光子展厅里,吴远大介绍,在目前世界上100多类高端光电子芯片中,国内有两大类全系列化芯片技术基本实现国产化。一类是主要应用于光纤到户接入网中的PLC光分路器芯片,另一类是主要应用于骨干网、城域网、高速数据中心和5G领域的阵列波导光栅芯片。“这两类芯片,都是我们公司研发的。”吴远大说。

  今年45岁的吴远大,是中国科学院半导体研究所研究员,主要致力于高性能无源光电子材料与器件的应用基础研究,同步开展PLC光分路器芯片及阵列波导光栅芯片的产业化技术开发工作。2011年,作为我国光电子事业主要开拓者王启明院士团队的一员,他与所里的6个年轻人一起,来到鹤壁担任河南仕佳光子科技股份有限公司常务副总裁,开展院企合作,开启我国高端光电子芯片的产业化之路。

  吴远大说,在国家863计划、973计划项目资助下,中科院半导体所对这些芯片已经开展了十多年的基础研究,但由于三方面原因,此前一直没有产业化。

  一是高质量的高折射率差硅基SiOx集成光波导材料基础薄弱。微电子技术中二氧化硅薄膜材料的厚度,一般仅为几百纳米;而平面集成光波导芯片中,则要求二氧化硅膜的厚度高达几个微米,甚至几十个微米,要求无龟裂、无缺陷,且更偏重二氧化硅材料的光传输性质。国外生长硅基SiOx集成光波导材料的方式主要有两种:以欧美为代表的化学气相沉积法(PECVD),以日本、韩国为代表的火焰水解法(FHD)。PECVD法精度较高,操控性好;FHD法生长速率快,产业化效率更高,二者各有优缺点。而国内缺乏相关应用基础研究。

  二是芯片工艺水平达不到芯片产业化需求,特别是在整张晶圆的均匀性、稳定性方面,如二氧化硅厚膜的高深宽比和低损耗刻蚀工艺。

  三是在产业和市场导向上,过去偏重于买,拿市场换技术。

  “我们带着这些研究成果来到鹤壁,也许是厚积薄发,2011年建立专用研发生产线,2012年就完成产业化工艺技术开发,2015年PLC光分路芯片全球市场份额达到50%。那一年,我们出货芯片2000多万颗;今年前4个月,每月产量都在200万颗以上。国际上芯片产业化十来年才能走完的路,我们三四年就实现了。”吴远大说。

  两大研发计划,攻克两座光电芯片山头

  在光分路器芯片成功实现产业化的同时,他们又把目光投向了阵列波导光栅芯片(AWG)开发。

  2013年,国家863计划“光电子集成芯片及其材料关键工艺技术”项目,由仕佳光子牵头承担,吴远大担任课题负责人。

  他们采用等离子体增强化学气相沉积和火焰水解法相结合的二氧化硅厚膜生长原理,改进厚膜生长设备,通过对多层结构的二氧化硅材料进行多组分、抗互溶的掺杂,结合梯度高温处理及干法刻蚀工艺制程,获得了不同折射率差的低损耗、低应力、高品质、高折射率差SiOx光波导材料,且材料生长效率显著提升,弥补了硅基SiOx集成光波导材料基础薄弱的难题,为AWG芯片的产业化打下了坚实基础。

  进一步,在国家重点研发计划项目“高性能无源光电子材料与器件研究”资助下,又攻克了多项芯片关键工艺技术,在六英寸硅基/石英基SiOx晶圆工艺的均匀性、重复性和稳定性方面获得了专利或专有技术,培养了十多位专项工艺技能人才,实现了芯片工艺能力与产业化技术的融合融通,研制成功的4通道、8通道及16通道AWG芯片,打破了国外对我国高性能AWG芯片产业化技术的长期垄断,实现了在国际市场上与国外企业同台竞争。

  目前,项目团队拥有AWG芯片设计及工艺核心发明专利十多项,并获得了2017年度国家科技进步二等奖,提升了我国下一代(5G)通信主干承载光网络和光互连建设的核心竞争力。

  开辟高速DFB激光器芯片产业化新征程

  现在,仕佳光子又引进中科院半导体所王圩院士团队,开始了高速DFB激光器芯片产业化的新征程。

  两个院士团队的13名专家常年驻扎在鹤壁。鹤壁则以仕佳光子为龙头,引进了上海标迪、深圳腾天、威讯光电等十多家上下游配套企业,成立了6大省级以上技术研发创新平台。一个有“芯”的“中原硅谷”正在鹤壁崛起!

  “中国芯片虽然已经在个别领域赶上了国外先进水平,甚至超越了国外技术。” 但是,吴远大说,“整体而言,要全面追赶上还需要20年。所以,必须瞄准主要芯片,全面实现国产化!”而这正是他们下一步要攻克的目标。(记者 乔 地)

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