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山东恒元半导体自主研制12英寸光学级铌酸锂晶体
发布时间:2024-05-20    来源:搜集汇总   阅读次数:3312 分享到:
近日,山东恒元半导体科技有限公司(下称“恒元光电”)在济南市“揭榜挂帅”科技计划项目支持下,自主研制成功了12英寸光学级铌酸锂晶体。这是国际上首次报道12英寸超大尺寸铌酸锂晶体,标志着我国光电子产业关键材料产业水平取得重大突破。

铌酸锂晶体是一种具有压电、电光、声光及非线性光学等多种效应的多功能晶体,且物理化学性质稳定,是至今人们所发现的光子学性能最多、综合指标最好的一种人工晶体,是集成光电子技术的核心基础材料。最新研究表明,基于铌酸锂光学平台,开发出的全球领先微波光子芯片,可运用光子进行超快模拟电子信号处理及运算,芯片比传统电子处理器快1000倍,不仅能耗更低,而且应用范围广阔,涵盖无线通信、高分辨率雷达、人工智能、计算机视觉、图像/视频处理等多个领域。

光电子信息产业是应用广泛的战略高技术产业,也是我国有条件率先实现突破的高技术产业。国内相关领域开始逐渐重视铌酸锂光电产业,基于3-4英寸铌酸锂晶体材料的产业水平逐步提高。为了打造我国自主可控的铌酸锂薄膜基光电子信息产业链、满足光电集成技术的晶圆尺寸需求,大尺寸光学级铌酸锂晶体产业尤为迫切。然而,高品质大尺寸光学级铌酸锂晶体制备技术难度高,长期以来,国际市场主要掌握在日本等少数厂商手中,国内少数几家拥有6英寸技术,同时发展8英寸产业的呼声也逐渐高涨。

恒元光电专业从事大尺寸光学级铌酸锂、钽酸锂等光电材料的研发和生产。目前恒元光电已经开始批量化生产6-8英寸Z轴、X轴光学级铌酸锂晶体。本着研发走在前列的科技产业发展理念,公司与山东大学刘宏教授、济南大学孙德辉教授科研团队合作,在世界上首次提出了研发12英寸铌酸锂晶体生长技术,并获得2022年山东省济南市“揭榜挂帅”科技计划项目的重点支持。

随着尺寸加大,铌酸锂晶体生产难度陡然增高。这支产学研队伍埋头苦干,经历了数十次失败,相继攻克12英寸铌酸锂晶体生产相关设备的设计、晶体生长及缺陷控制、晶体后处理等全链条关键核心技术,并获得授权4项国家发明专利,在全球首先突破了12英寸铌酸锂晶体生长技术,走出了“12英寸铌酸锂晶体产品”坚实的第一步。


恒元光电创始人、总经理彭立果表示,目前铌酸锂光子芯片已经广泛应用于AR设备、光电调制等领域,而12英寸光学级铌酸锂晶体的问世,更是将单位芯片成本降低了50%至70%。

“相信在不远的将来,我们的工业物联网将进入光子芯片时代。”他对记者表示。

“二十年磨一剑”
在位于济南高新区航天大道的中欧制造国际港内,经济导报记者看到了济南产的12英寸铌酸锂晶体。在恒元光电的无尘车间内,8个晶体生长炉依次排开。“这些晶体的原料,是高纯度的氧化铌和碳酸锂,原料在混合、压块、烧结后放到晶体生长炉里,用提拉法进行晶体生长,大约十多天,便会生长成一个标准的圆柱。”彭立果告诉经济导报记者,“经过退火极化后,再将圆柱切割成晶圆片毛片,倒角、研磨、抛光、清洗之后,最终的成片就是铌酸锂晶圆片。”

业内普遍认为,基于铌酸锂晶体的集成光电技术,其颠覆性不亚于当年的硅基集成电路技术,所以铌酸锂也有“光学硅”的美称。彭立果则以摩尔定律来举例说明“光学硅”的技术潜力:“‘芯片每18个月性能提升一倍’,这就是我们熟知的摩尔定律。然而现在芯片的先进制程已经到了3纳米以下,而用以导电的铜,原子直径也才0.26纳米,通俗来讲,硅晶圆材料很快就要‘刻不下’了,所以说基于硅基集成电路技术的传统芯片已进入瓶颈,摩尔定律也将失效。”
“然而,集成光电芯片是运用光子进行超快模拟电子信号处理及运算的,不受制程尺寸的限制,因而比传统电子处理器要快1000倍。正因为集成光电技术的持续发展,摩尔定律才有望延续。”他表示。
恒元光电生产的铌酸锂晶体,正是集成光电芯片的上游原材料。据介绍,公司研发团队核心是刘宏、孙德辉教授团队,自2002年起一直从事铌酸锂晶体材料的研究,已经掌握了从相关设备的设计、均匀多晶料制备、晶体生长及缺陷控制、晶体后处理的全链条关键核心技术,可谓在前沿技术领域“二十年磨一剑”。

现在,团队更是自主研制成功了12英寸光学级铌酸锂晶体,这还是国际上首次报道12英寸超大尺寸铌酸锂晶体,标志着我国光电子产业关键材料产业水平取得重大突破;另据介绍,济南在人工晶体材料领域,特别是在铌酸锂领域,已经出现了产学研聚集效应,处于国内乃至世界领先的地位。

恒元光电的迅猛发展,离不开彭立果的独到眼光。不过说起铌酸锂晶体材料技术,也就是恒元光电核心技术的发掘,彭立果却提到了另一家公司:济南晶正电子科技有限公司(下称“晶正科技”)。
原来,晶正科技正是此前彭立果负责的一个投资项目。晶正科技步入正轨后,彭立果还不断跟踪产业链的发展状态。“晶正科技的原材料,主要是从国外进口的晶圆片。因为国际环境比较复杂,晶正科技也非常担心上游供应链的安全和稳定性。”他表示。

基于稳定上游供应的考量,彭立果在2021年初,结识了山东大学晶体材料国家重点实验室的刘宏教授以及济南大学的孙德辉教授。“我们一拍即合,就做技术成果的转化、做产业化。于是2021年,我们成立了恒元光电,开始了大尺寸铌酸锂晶体的一个产业化进程。”他表示。
有了资本助力,在彭立果搭建的光电子产业创投平台之下,恒元光电和晶正科技搭成了上下游的合作伙伴。对于前者来说,创业伊始便有固定客户,企业的发展更加顺风顺水。
在产业链上游站稳了脚跟,恒元光电开始朝着超大尺寸“定向生长”。“其实铌酸锂晶体就是从炉内‘长’出来的。”据彭立果介绍,目前在国际上,能让晶体“长”到6英寸—8英寸的多为日本厂商,国内只有少数几家有相关技术;而被恒元光电一举突破的,则是12英寸超大尺寸技术。
“更大的尺寸,意味着能在同质量的晶圆上,可以生产更多的芯片。据测算,晶圆从6英寸‘长’到8英寸,单位芯片成本将降低50%;从8英寸‘长’到12英寸,单位芯片成本还将继续降低50%。”他表示。
目前,恒元光电主攻三类市场:面向电光调制器、高性能滤波器等大规模商用市场,包括科研院所在内的高端定制类产品,以及直接应用铌酸锂晶圆等产品的特定市场。此外,公司还与多家下游客户建立了合作关系。

目前,铌酸锂晶圆片有哪些具体的应用场景?彭立果举了两个具体的案例。
“首先是铌酸锂晶体的光学应用。”他介绍,“除了能做‘光学硅’,铌酸锂晶体的光透过范围宽,具有较大的折射率。如果用在视觉影像显示上,同样的视野,铌酸锂晶体比光学玻璃的性能更好。”他说,目前铌酸锂晶体已经逐步应用于AR、VR设备上,同样的视觉范围,采用铌酸锂晶体的设备体积更小、更轻便。

彭立果举的另一个案例,则是在网络通信、算力建设领域。“现在我们常说‘光纤入户’。实际上传输中的网络信号就是光信号,但光信号要经过电脑处理,就必须转化为电信号,这个过程被称为‘电光调制’。”据他介绍,目前主流的硅基集成电路电光调制设备,传输速率在每秒40G—50G;而采用初代集成光电芯片的设备,速率已经超过了每秒100G。
“集成了铌酸锂晶体光电芯片的电光调制设备,目前速率已经达到了每秒800G至1.6T,且能耗更低。”彭立果表示,“速率的提升意味着算力的提高。目前,已经有企业选用了基于铌酸锂晶圆的光电芯片,我们的生产原材料也实现了产业化的应用。”
在山东省政府印发的《关于聚力推动工业经济高质量发展十大行动的意见》中,提出“规模以上工业企业数字化转型覆盖率达到90%左右”“信息技术产业营业收入同比增长10%以上”“数字经济总量占全省生产总值比重达到49%左右”等具体目标。
上述目标如何落实?全国新型工业化推进大会给出了明确答案:算力在赋能工业数字化发展、催生数字产业等方面发挥着关键作用,算力也成了工业经济创新驱动、结构优化、绿色安全发展的主要助力,以及工业高质量发展的重要手段。彭立果则干脆表示,“算力是第四次工业革命的基础,而算力的提升离不开光电芯片的进一步产业化应用。”
“现在,网络数据的处理还需要将光信号转化为电信号;未来,电脑能不能直接处理光信号?光电芯片能否直接用在电脑上?”彭立果说,“未来,包括工业物联网在内,我们必将进入光子芯片时代。而恒元光电将通过质优价廉的原材料供应,助力光子芯片的产业化应用。”
21世纪必将是一个光子时代,哈佛大学研究报告指出:“铌酸锂对于光子学的意义,等同于硅对于电子学的意义”。恒元光电超大尺寸光学级铌酸锂晶体的研制成功,将为我国光电子产业化提供核心竞争力和基础材料,为国家信息产业大厦奠定最稳固的基石,对推动我国光电子行业的发展具有重要意义
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