据济南日报5月19日报道，近年半导体产业科学界正在谋划用光子芯片取代电子芯片，济南主动布局，其最新的一项“揭榜挂帅”科研攻关项目研制成功，在全球率先研制出了12英寸(直径300mm)的超大尺寸光学级铌酸锂晶体。

据悉，完成这项科研攻关的是山东恒元半导体科技有限公司，该公司成立于2021年，自成立以来，一直致力于铌酸锂、钽酸锂等光电材料、压电材料的研发、生产及销售。通过20年不间断的探索与研究，公司团队已拥有从晶体生长设备的设计、均匀多晶料制备、晶体生长及缺陷控制技术以及晶体后处理技术的全链条自主知识产权，掌握了大尺寸铌酸锂晶体生长产业化所需的关键核心技术。

经过两年的攻关，经历了数十次失败，恒元半导体相继攻克12英寸铌酸锂晶体生产设备的设计、晶体生长及缺陷控制、晶体后处理等全链条关键核心技术，获得授权4项国家发明专利，终于在全球首先突破了12英寸铌酸锂晶体生长技术。目前，恒元半导体通过科技成果转化，已经开始批量生产6-8英寸Z轴、X轴光学级铌酸锂晶体。三年内，恒元半导体计划将晶圆年产量达到25万片。


铌酸锂对光芯片的意义

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。据悉，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材料，且物理化学性质稳定，是至今人们所发现的光子学性能最高、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。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，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。

调制器为光模块核心部件之一，铌酸锂材料也是调制器的重要组成部分。调制器是光模块的重要组成部分之一，其主要功能是将电信号转化为可传输的光信号。根据头豹研究院 2022年6月报告，在中端光模块中，预计 2023 年薄膜铌酸锂调制器成本构成中,直接材料费比例达到 59%，因而铌酸锂材料在调制器中也是重要组成部分之一。

大尺寸铌酸锂晶片市场仍被国外厂商垄断，国产率低于5%。从各公司铌酸锂晶体产品指标对比看，如厚度偏差、翘曲度、透光范围等核心指标国内企业已接近国外第一梯队日本住友金属、德国 Korth Kristalle 等企业，国产替代值得期待。

根据华经产业研究院观点，预计2025 年全球铌酸锂晶体需求有望达到 802.7-807.6 万片。预计 2025 年全球铌酸锂晶体市场规模有望达到 35.0-40.4 亿元，2022-2025 年 CAGR 17.9%-23.6%，其中光模块领域薄膜铌酸锂市场规模的占比将有望达到 7.2%-19.6%。


光芯片制备难点

光芯片工艺流程复杂，外延生长为技术壁垒最高的环节。以激光器芯片为例，光芯片的工艺流程可分为芯片设计、外延生长、晶圆制造、芯片加工与测试。区别于集成电路IC芯片，光芯片在芯片设计环节的附加值较低，核心技术集中于生产制造环节。在制造工艺上，与电芯片侧重于光刻工艺追求先进制程不同，光芯片性能的提升不完全依靠尺寸的减小，更注重外延结构设计与生长。

衬底：InP/GaAs材料经提纯、拉晶、切割、抛光、研磨制成单晶体衬底，用于外延生长。我国在InP和GaAs衬底方面已基本具备进口替代的能力，根据Yole，国产厂商北京通美在2020年已成为全球InP衬底第二大供应商，市占率高达35%，仅次于住友电工；在2019年全球GaAs衬底市场中占据13%的市场份额，位居行业第三。

外延生长：外延生长是指在衬底片表面生长单晶多层二维状结构，最终生长成PN结结构的过程。目前常用的外延生长工艺包括有机金属化学气相沉积MOCVD、分子束外延MBE。外延层的厚度、比例、缺陷控制等参数直接决定了光芯片的发射波长、效率、可靠性、老化等性能指标和良率，因此外延生长是光芯片制备过程中最重要的一环。

外延工艺的核心壁垒在于：对材料的理解：外延片采用多层堆叠结构，各层材料的生长需受限于外延层和衬底材料晶格常数、热膨胀系数等匹配要求，控制材料应变问题，这对外延层材料的选择提出了较高的要求；工程制造能力：外延片对多层堆叠结构每层厚度的精准控制能力要求较高，通常需要在1μm以下且均匀；对光电特性的理解：对激光的横模与纵模、有源区量子阱等光特性的理解，以及对等效的电阻、寄生的电容电感等电特性的理解，均直接影响外延片的设计效率，及最终光芯片的电光转换效率等核心性能；对设备的理解：外延开发需厂商投入大量时间调试机台的条件参数，对时间成本和设备工程师的Know-how积累有较高的要求。

晶圆制造：晶圆制造包括光栅制作、波导光刻、氧化物沉积、刻蚀等工序；其中，光栅工艺是在涂有光刻胶的基板上定义出光栅结构对应的掩膜图形，再利用刻蚀技术将掩膜上的图形转移至衬底上形成最终的光栅结构，会影响光芯片产品的出光功率、可靠性、极限工作温度等性能参数，是光芯片晶圆制造的关键步骤之一。目前光栅工艺主要分为全息光栅工艺和电子束光栅工艺两种。

芯片加工与测试：包括解理镀膜、封测分选、自动化芯片测试、芯片高频测试、可靠性测试验证测试等环节。

光芯片的制备难度随调制速率提升、特殊波长的选择而增加。通过对比源杰科技25G DFB和2.5G DFB的生产工艺，可发现具有更高调制速率的光芯片制备难度更高。对设计和制造精度要求更高：25G DFB量子阱有源区堆叠层数更多，在保证芯片尺寸的前提下对每一层外延生长参数精准控制的要求进一步提升，以及对谐振腔的几何形状、折射率分布等参数均需精准把控；对材料和设备的要求更高：25G DFB必须使用电子束光栅设备进行光栅制作，对刻蚀、光刻机等设备性能要求更高；质量控制要求更严格：25G DFB的测试条件更加多维，整套生产工序超过280道，较中低速产品多出50-70道。

从发射波长看，同一速率下不同波长光芯片的色散和光衰减速度并不相同。相较于1310nm和1550nm波长，10GPON数据下传和上传所需的1577nm和1270nm波长光芯片的光信号色散代价大、光缆损耗高，导致内部结构设计和生产难度加大。因此，要实现光通信芯片速率升级和多波长产品覆盖，需要长期的研发投入和生产工艺经验的积累。

光芯片工艺层面标准化程度较低，IDM模式为主流。光芯片侧重于生产制造环节，其性能依赖于具体的制造工艺，这就决定了IDM模式（芯片设计-制造-封测全链条布局）在光芯片生产过程中优势突出：IDM模式使得光芯片设计与晶圆制造环节能够相互反馈验证、灵活调整参数，精准触达产品设计、生产、测试中的任何问题；形成完整的闭环流程，保证工艺稳定性并有效防止工艺Know-how外流。海外头部厂商如II-IV、Lumentum、住友电工等多均采用IDM模式，覆盖芯片设计、外延生长、晶圆制造、芯片加工与测试全流程。


未来技术方向

（1）硅光技术

传统光模块：可调制、接收光信号，包含光发射组件、光接受组件、光芯片等器件，在磷化铟基底上利用封装技术进行集成。

硅光光模块：采用硅光子技术的光模块。硅光技术是在硅和硅基衬底材料（如Si,SiGe,SOI等）上，利用CMOS工艺进行光器件开发和集成的新一代技术，其核心理念用激光束代替电子信号进行数据传输。逐渐从光子集成向光电集成发展，目前通信领域主要是光子集成的硅光模块。

硅光模块最大特点高度集成。硅光芯片通过硅晶圆技术，在硅基上制备调制器、接收器等器件，从而实现调制器、接收器、无源光学器件的高度集成。

与传统光模块相比，硅光模块存在成本低、工艺精度高、产业链成熟三大优势。成本低：硅光芯片的衬底价格更低，其中Si衬底价格最低，为0.2$/2，而InP衬底价格为4.55$/2，是Si衬底价格的20多倍。在功能晶圆价格方面，硅光芯片价格下降更为明显。另外，传统InP光模块由于良率低、固定开支成本等原因导致其成本进一步上升。工艺精度高、良率高：硅光芯片工艺精度可达65-250nm，传统光模块工艺精度最多达到300nm。硅光芯片良率大于80%，而传统光芯片良率不足40%。产业链成熟：硅光模块可使用目前较为成熟的CMOS集成电路产业，量大成本低。


（2）薄膜铌酸锂

铌酸锂材料主要用于制作电光调制器，电光调制器可以将电信号转化为光信号，并在光信号传输中实现信号的调制，其他传统的电光调制器还包括硅基电光调制器和磷化铟（InP）电光调制器，其中铌酸锂性能优势最为显著，并在光通信等领域已被广泛的应用和验证。然而，铌酸锂电光调制器存在尺寸大、难以集成和驱动电压高等缺点，薄膜铌酸锂便可以很好的解决这些缺点，通过将铌酸锂体材料薄膜化并键合到硅衬底上制备出绝缘体上薄膜铌酸锂（LNOI）材料，即通过“离子切片”的方式，从块状的铌酸锂晶体上剥离出铌酸锂薄膜，并键合到带有二氧化硅缓冲层的硅晶片上。相比之下，薄膜铌酸锂调制器的尺寸更小，带宽更高，而薄膜铌酸锂材料也有望使用于大规模的光子集成。

光子芯片产业刚起步，未来应用前景巨大

在面向“后摩尔时代”的潜在颠覆性技术里，光子芯片已进入人们的视野。其所具有的高速度、低能耗、工艺技术相对成熟等优势，能够有效突破传统集成电路物理极限上的瓶颈，满足新一轮科技革命中人工智能、物联网、云计算等产业对信息获取、传输、计算、存储、显示的技术需求。

目前，全球光子芯片产业刚刚起步，作为独立于电子集成技术的新集成技术，其技术壁垒还没有形成，这为我国光子芯片提供了足够的研发时间与市场空间，也为我国信息产业发展提供了巨大的机会。

2023年11月发布的《光子时代：光子产业发展白皮书》显示，我国光子产业发展水平与世界处于并跑阶段，在光子基础理论研究和技术发展方面具有一定的优势，中国拥有世界规模最大的从业人数，光子产业在2012—2020年的复合增长率已经接近23%，光子产品全球份额也从2005年的10%提升到2019年的30%。

据Gartner预测，到2025年全球光子芯片市场规模有望达561亿美元。华为战略研究院认为，光子产业发展前景巨大，光子核心组件市场价值不低于3200亿美元（约合人民币超2万亿元），未来还将撬动产业创造2.6万亿美元（约合人民币超16万亿元）产值。