RESEARCH RESULTS SHOW 研发成果展示
无源光电子芯片技术

我们制备出世界上第一个无源光电子标签芯片,满足高温、高压、腐蚀等工业环境的应用,并具有绝对信息安全(行业内还没有芯片厂商将光电器件用于电子标签芯片)。

在光电子四大应用领域中,消费光电子在我国已经形成成熟产业链条,军用光电子具有特殊性,因此在这里不做赘述。信息光电子是光电子技术的主流,它采用光作为信息传输载体,担当此任务的基础是光收发模块。光收发模块中的核心器件是基于半导体技术的光电子器件(激光器和探测器等)。能量光电子的核心技术与信息光电子相似。总体来讲,高端光电子器件是光电子技术发展的核心,也是制约光电子各大应用领域发展的关键技术瓶颈。


高端光电子器件做为光电子技术发展的核心,其性能的提升依赖于打通从模拟设计、材料生长、器件制备到封装测试的技术链条。位于产业链源头的光电子材料、核心光电子器件的制备,与发达国家相比存在较大差距,且生长工艺复杂、对外技术依存度高,平均成本和利润率超过整个产品的50%甚至达到70%,已成为制约我国下一代光电子技术产业发展的关键瓶颈。同时,将多个不同功能的光电子器件集成到单个芯片上,实现功能更为复杂的光、电信号处理系统是未来光电子技术的发展方向。以硅基光电子集成技术为主要代表的热点技术将成为21世纪光电子技术发展的一个重要方向。

01 光电子材料发展现状

按照光波的不同波段,光电子材料未来发展的重点方向包括:从紫外到可见光的发光材料,近红外到中远红外及太赫兹的激光材料、中远红外高灵敏探测材料、宽带高速光纤通信材料等。目前光电子分立器件用材料主要有以砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)为代表的III-V族化合物半导体材料;光电子集成用主要材料为绝缘体上的硅(SOI)及氮化硅,目前主流为SOI。(见图1)

深度剖析光电子技术和产业现状

图1 对应不同光波段的光电子材料及主要应用领域

光电子材料制备包括衬底制备和外延工艺两大环节。衬底是由半导体单晶材料制造而成的晶圆片,衬底可以直接进入晶圆制造环节生产半导体器件,也可以进行外延工艺加工生产外延片。外延生长工艺目前主要采用MOCVD(化学气相沉积)以及MBE(分子束外延)两种技术。

(1)III-V族化合物

GaAs、InP等III-V族化合物材料适用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件,目前广泛应用于卫星通讯、移动通讯、光通讯、GPS导航等领域。GaAs衬底目前由日本住友电工、德国Freiberg、美国AXT、日本住友化学四家占据,主流尺寸为3英寸和4英寸。GaAs外延材料目前主要由英国的IQE、美国的Intelliepi,中国台湾的全新光电三家占据,市场份额达到90%。InP衬底目前由美国AXT、日本住友占据大部分市场,中国大陆以云南鑫耀等企业为主,近年来市场扩展迅速,主流尺寸为2英寸和3英寸。InP外延材料市场目前主要由英国IQE、中国台湾联亚光电占据,中国大陆主要有中科芯电(ACS),中国大陆还未开始量产。

(2)氮化镓(GaN)

在光电子学领域,GaN基材料可以实现绿光、蓝光和紫外多个波段的激射发光,一般采用氰化物气相外延(HVPE)方法制备,在激光显示、激光照明、激光加工等领域有非常重要的应用。目前GaN基外延材料生长技术难度大,国际上仅有日本的日亚公司、德国的欧司朗公司能够实现产业化,中国大陆只有中科院半导体所、中科院苏州纳米所、南昌大学等极少数单位能够研制外延生长高质量光电子用薄膜。

(3)SOI

SOI是光电子集成领域未来应用最广的材料。目前, SOI晶圆主要生产厂商有日本信越、日本SUMCO、中国台湾环球,此外还有法国Soitec、中国台湾台胜科、合晶、嘉晶等企业。中国大陆主要生产厂商为上海新昇。SOI晶圆衬底主流尺寸为8英寸。

02 高端光电子器件发展现状

高端光电子器件主要包括化合物半导体激光器、光电探测器及硅基集成有源光子器件。

(1)化合物半导体激光器

化合物半导体激光器是以GaAs、InP等为增益介质,在各类激光器中拥有最佳的能量转化效率,是当今最重要的激光光源,包括垂直腔面发射激光器(VCSEL)、分布式反馈激光器(DFB)、电吸收调制激光器(EML),超辐射发光二极管(SLED)、激光二极管(LD),分别适用于不同的传输距离和速度。

①VCSEL激光器:能够实现芯片表面的激光发射,具有体积小、功耗低、可单纵模输出、价格低廉、易大面积集成等优点。VCSEL芯片是主要材料为GaAs体系。其中,850nm 波段VCSEL适用于短距离(小于500米)光通信领域,可以用在光纤网络中高速传输数据。940nm波段VCSEL适用于3D传感。随着2017年苹果iphone X发布,3D人脸识别系统大规模应用,940nm VCSEL激光光源引起了广泛的关注。

VCSEL国外厂商主要有Broadcom、Lumentum、Finisar等,中国大陆主要有江苏华芯、武汉光迅科技、三安光电等公司。Broadcom、Lumentum等国外公司已经陆续推出通信用25G以上速率的850nm VCSEL激光器芯片。目前中国大陆已经能够自主完成10G 850nm VCSEL激光器芯片外延及芯片工艺制造。随着人脸识别VCSEL市场规模的爆发增长,使得各个VCSEL制造厂商开始重点布局940 nm,江苏华芯在原有光通讯用850nm VCSEL芯片外延技术的基础上上成功实现了手机用940nm VCSEL高功率TOF和结构光芯片的国产化,其性能可与国外顶尖公司产品相媲美。

②DFB激光器:能够实现边发射的单纵模激光器,具有非常好的单色性。DFB激光器芯片通常由InP、GaAs等半导体材料制成,其主要应用为1310nm,1550nm光通信,可实现高速率、大距离的中长距离传输,也适用于数据中心、城域网及接入网。

DFB激光器芯片技术基本上由德国、美国、日本等发达国家掌握,如德国Nanoplus、Sacher、Eagleyard、Toptica公司,美国Thorlabs、EM4、Power Technology、Sarnoff公司,日本NTT、Oclaro等公司。厂商非常多,但能够实现商业化生产的厂家并不多,部分国家对中国禁售25G以上DFB激光器芯片。中国大陆公司主要有华为海思、光迅科技、仕佳光子公司、源芯等,研究机构包括中科院半导体所、清华大学等。目前国内芯片厂商只占据10%以下的市场份额,光迅、海思等厂商仅在10G以下低端激光器商用芯片实现国产化。当前部分研究机构和厂商已完成了25G DFB激光器芯片的研发,但还未实现商业化。

③EML激光器:EML为电吸收调制器(EAM)与DFB集成器件。与直接调制的DFB激光器比,EML的传输特性和传输效果要比DFB激光器好,具有高功率、窄线宽以及宽波长调谐范围等优点,可以广泛应用于高速、远距离的骨干网和城域网。EML厂家有Finisar,JDSU、日本三菱、英飞凌等,国内研究机构有清华大学、中科院半导体所等。

④紫外激光器:半导体紫外激光器(波长<400nm)在激光加工、紫外固化、紫外杀菌、生物医学等领域有重要的应用。与红外激光器相比,紫外激光器具有波长短、光子能量大等优点,不仅可以聚焦更小、实现更高精度加工,而且可以把热效应降到最低、实现冷加工。GaN材料是实现半导体紫外激光器的理想材料,但是由于紫外量子阱发光效率低、光损耗大等问题,GaN紫外激光器技术难度极大。目前国际上只有日本的日亚公司能够提供商用产品,中国大陆只有中科院半导体所能够研制室温电注入连续激射的紫外激光器。

⑤量子级联激光器(QCL):QCL激射波长对应于两个重要大气窗口和绝大多数气体分子的基频吸收峰,同时具备多波长可调谐的特点,使其在激光雷达和测距、高灵敏度气体检测等应用领域发挥重大作用。QCL国外厂商主要有美国Pranalytica Inc.、Daylight Solution、Thorlab、Cascade Technologies、 AKELA laser等,日本Hamamatsu,瑞士Alpes Lasers,德国Nanoplus。中国大陆中国科学院半导体研究所具有小批量QCL生产能力、已提供给50个国内外用户使用。目前国内QCL仍然受外延材料本身的效率和一些工艺、封装设备的限制,当前最核心的工作是提高QCL的单管输出功率。

⑥大功率半导体激光器:一般指的是功率大于1W,GaAs基808nm、980nm、915nm、1064nm等波段的激光器。大功率半导体激光器主要用于泵浦源(固体激光器/光纤激光器)。目前大功率半导体激光器市场每年以20%以上的速度增加。国外的公司有美国Ⅱ-Ⅵ photonics、3SP Technologies 、lumentum、德国FBH、日本Hamamatsu Photonics等。中国大陆研究机构包括中国科学院长春光学精密机械与物理研究所、中国科学院半导体研究所、中国科学院上海光学精密机械等,公司有山东华光光电子股份有限公司等。国内的研究水平和产品实力均弱于国外公司,包括功率、寿命、光束质量、合束技术等方面,并且由于该方面的应用较为敏感,国外公司进行技术封

(2)光电探测器

光电探测器能够检测出入射在其上面的光功率,并完成光信号向电信号的转换。目前,常用的光电探测器包括光电二极管(PIN)检测器和雪崩光电二极管(APD)检测器。

PIN用于短距离、对灵敏度要求不高的光通信系统中,响应带宽为2.5Gb/s,10Gb/s,25GGb/s,40Gb/s;APD灵敏度高于PIN,响应带宽为2.5Gb/s,10Gb/s,20Gb/s,主要应用于光纤通信系统、单光子探测、航天探测。生产两种探测器的国外厂商主要有OCLARO, Discovery, BOOKHAM, Finisar, JDSU;中国大陆有光迅、三安、光森、华芯。国际厂家可提供25G及以上速率光探测器芯片,国内25Gb/s PIN接近开发成功,25Gb/s APD还不成熟。研究机构有北京邮电大学,中科院物理所,中科院微系统所,中科院半导体所,清华大学、南京大学等。国内部分技术领先的光模块制造商已在这个器件上进行技术布局,有待市场验证。

(3)硅基光电子集成芯片及硅基集成有源光子器件

硅基光电子集成芯片主要由硅基光电子器件和微电子器件两大部分组成。硅基光电子器件分为无源器件和有源器件。其中无源器件包括:波导及耦合器件、振荡器滤波器、复用器和解复用器等。有源器件包括:硅基光源、探测器、调制器和放大器等。硅基光子集成芯片制备工艺相对成熟,但受限于材料性质,目前尚难以实现硅基有源(发光)器件。

近十年来,硅基光电子集成的关键材料和器件研究引起了科学界(如美国麻省理工学院、哈佛大学、加州大学)和工业界(如英特尔、IBM、意法半导体)的广泛关注,仅英特尔公司对硅基光电子的研发投入就高达数十亿美元。2015年IBM宣布已成功研制出实用化的硅基光学芯片,将一个硅基光集成芯片封装到了与CPU大小相同的尺寸中,这无疑将硅基光子技术提升到了更高的层次。此外,英特尔和加州大学圣巴巴拉团队于2016年末实现了100G硅基光收发器的产品研发,目前已进入服务器和数据中心市场。

我国在硅基集成芯片的研发领域紧跟世界发展,在单一硅光器件如片上光源、光调制器、探测器以及无源硅光集成芯片如光开关等领域均有突破性研究成果发表。硅基有源光子器件方面,中科院物理研究所研究团队通过硅基图形衬底上III-V族混合集成的外延生长技术实现了高质量的硅基片上光源(阈值电流小于190mA、连续激射温度高于65°C),完成了中国硅基可集成激光器零的突破。


科研成果