經(jīng)濟(jì)導(dǎo)報(bào)記者 杜楊
如果說芯片是工業(yè)的“糧食”，那么鈮酸鋰晶體就是工業(yè)未來發(fā)展的“良種”。專家預(yù)計(jì)，基于鈮酸鋰光學(xué)平臺(tái)的微波光子芯片，有望比傳統(tǒng)電子處理器快1000倍，且能耗更低。
近日，山東恒元半導(dǎo)體科技有限公司（下稱“恒元光電”）在濟(jì)南市“揭榜掛帥”科技計(jì)劃項(xiàng)目支持下，自主研制成功了12英寸光學(xué)級(jí)鈮酸鋰晶體。這是國際上首次報(bào)道12英寸超大尺寸鈮酸鋰晶體，標(biāo)志著我國光電子產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵材料產(chǎn)業(yè)水平取得重大突破。
恒元光電創(chuàng)始人、總經(jīng)理彭立果表示，目前鈮酸鋰光子芯片已經(jīng)廣泛應(yīng)用于AR設(shè)備、光電調(diào)制等領(lǐng)域，而12英寸光學(xué)級(jí)鈮酸鋰晶體的問世，更是將單位芯片成本降低了50%至70%。
“相信在不遠(yuǎn)的將來，我們的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)將進(jìn)入光子芯片時(shí)代。”他對(duì)經(jīng)濟(jì)導(dǎo)報(bào)記者表示。
“二十年磨一劍”
在位于濟(jì)南高新區(qū)航天大道的中歐制造國際港內(nèi)，經(jīng)濟(jì)導(dǎo)報(bào)記者看到了濟(jì)南產(chǎn)的12英寸鈮酸鋰晶體。在恒元光電的無塵車間內(nèi)，8個(gè)晶體生長爐依次排開。“這些晶體的原料，是高純度的氧化鈮和碳酸鋰，原料在混合、壓塊、燒結(jié)后放到晶體生長爐里，用提拉法進(jìn)行晶體生長，大約十多天，便會(huì)生長成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的圓柱。”彭立果告訴經(jīng)濟(jì)導(dǎo)報(bào)記者，“經(jīng)過退火極化后，再將圓柱切割成晶圓片毛片，倒角、研磨、拋光、清洗之后，最終的成片就是鈮酸鋰晶圓片。”
業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為，基于鈮酸鋰晶體的集成光電技術(shù)，其顛覆性不亞于當(dāng)年的硅基集成電路技術(shù)，所以鈮酸鋰也有“光學(xué)硅”的美稱。彭立果則以摩爾定律來舉例說明“光學(xué)硅”的技術(shù)潛力：“‘芯片每18個(gè)月性能提升一倍’，這就是我們熟知的摩爾定律。然而現(xiàn)在芯片的先進(jìn)制程已經(jīng)到了3納米以下，而用以導(dǎo)電的銅，原子直徑也才0.26納米，通俗來講，硅晶圓材料很快就要‘刻不下’了，所以說基于硅基集成電路技術(shù)的傳統(tǒng)芯片已進(jìn)入瓶頸，摩爾定律也將失效。”
“然而，集成光電芯片是運(yùn)用光子進(jìn)行超快模擬電子信號(hào)處理及運(yùn)算的，不受制程尺寸的限制，因而比傳統(tǒng)電子處理器要快1000倍。正因?yàn)榧晒怆娂夹g(shù)的持續(xù)發(fā)展，摩爾定律才有望延續(xù)。”他表示。
恒元光電生產(chǎn)的鈮酸鋰晶體，正是集成光電芯片的上游原材料。據(jù)介紹，公司研發(fā)團(tuán)隊(duì)核心是劉宏、孫德輝教授團(tuán)隊(duì)，自2002年起一直從事鈮酸鋰晶體材料的研究，已經(jīng)掌握了從相關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)、均勻多晶料制備、晶體生長及缺陷控制、晶體后處理的全鏈條關(guān)鍵核心技術(shù)，可謂在前沿技術(shù)領(lǐng)域“二十年磨一劍”。
▲彭立果（中）及團(tuán)隊(duì)與超大尺寸鈮酸鋰晶體合影 受訪者供圖
現(xiàn)在，團(tuán)隊(duì)更是自主研制成功了12英寸光學(xué)級(jí)鈮酸鋰晶體，這還是國際上首次報(bào)道12英寸超大尺寸鈮酸鋰晶體，標(biāo)志著我國光電子產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵材料產(chǎn)業(yè)水平取得重大突破；另據(jù)介紹，濟(jì)南在人工晶體材料領(lǐng)域，特別是在鈮酸鋰領(lǐng)域，已經(jīng)出現(xiàn)了產(chǎn)學(xué)研聚集效應(yīng)，處于國內(nèi)乃至世界領(lǐng)先的地位。
金融銜接光子芯片領(lǐng)域上下游
恒元光電的迅猛發(fā)展，離不開彭立果的獨(dú)到眼光。不過說起鈮酸鋰晶體材料技術(shù)，也就是恒元光電核心技術(shù)的發(fā)掘，彭立果卻提到了另一家公司：濟(jì)南晶正電子科技有限公司（下稱“晶正科技”）。
原來，晶正科技正是此前彭立果負(fù)責(zé)的一個(gè)投資項(xiàng)目。晶正科技步入正軌后，彭立果還不斷跟蹤產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展?fàn)顟B(tài)。“晶正科技的原材料，主要是從國外進(jìn)口的晶圓片。因?yàn)閲H環(huán)境比較復(fù)雜，晶正科技也非常擔(dān)心上游供應(yīng)鏈的安全和穩(wěn)定性。”他表示。
▲彭立果介紹鈮酸鋰晶圓片 杜楊 攝
基于穩(wěn)定上游供應(yīng)的考量，彭立果在2021年初，結(jié)識(shí)了山東大學(xué)晶體材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的劉宏教授以及濟(jì)南大學(xué)的孫德輝教授。“我們一拍即合，就做技術(shù)成果的轉(zhuǎn)化、做產(chǎn)業(yè)化。于是2021年，我們成立了恒元光電，開始了大尺寸鈮酸鋰晶體的一個(gè)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。”他表示。
有了資本助力，在彭立果搭建的光電子產(chǎn)業(yè)創(chuàng)投平臺(tái)之下，恒元光電和晶正科技搭成了上下游的合作伙伴。對(duì)于前者來說，創(chuàng)業(yè)伊始便有固定客戶，企業(yè)的發(fā)展更加順風(fēng)順?biāo)?/P>
在產(chǎn)業(yè)鏈上游站穩(wěn)了腳跟，恒元光電開始朝著超大尺寸“定向生長”。“其實(shí)鈮酸鋰晶體就是從爐內(nèi)‘長’出來的。”據(jù)彭立果介紹，目前在國際上，能讓晶體“長”到6英寸—8英寸的多為日本廠商，國內(nèi)只有少數(shù)幾家有相關(guān)技術(shù)；而被恒元光電一舉突破的，則是12英寸超大尺寸技術(shù)。
“更大的尺寸，意味著能在同質(zhì)量的晶圓上，可以生產(chǎn)更多的芯片。據(jù)測算，晶圓從6英寸‘長’到8英寸，單位芯片成本將降低50%；從8英寸‘長’到12英寸，單位芯片成本還將繼續(xù)降低50%。”他表示。
目前，恒元光電主攻三類市場：面向電光調(diào)制器、高性能濾波器等大規(guī)模商用市場，包括科研院所在內(nèi)的高端定制類產(chǎn)品，以及直接應(yīng)用鈮酸鋰晶圓等產(chǎn)品的特定市場。此外，公司還與多家下游客戶建立了合作關(guān)系。
助力工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展
目前，鈮酸鋰晶圓片有哪些具體的應(yīng)用場景？彭立果舉了兩個(gè)具體的案例。
“首先是鈮酸鋰晶體的光學(xué)應(yīng)用。”他介紹，“除了能做‘光學(xué)硅’，鈮酸鋰晶體的光透過范圍寬，具有較大的折射率。如果用在視覺影像顯示上，同樣的視野，鈮酸鋰晶體比光學(xué)玻璃的性能更好。”他說，目前鈮酸鋰晶體已經(jīng)逐步應(yīng)用于AR、VR設(shè)備上，同樣的視覺范圍，采用鈮酸鋰晶體的設(shè)備體積更小、更輕便。
▲12英寸超大尺寸鈮酸鋰晶體 受訪者供圖
彭立果舉的另一個(gè)案例，則是在網(wǎng)絡(luò)通信、算力建設(shè)領(lǐng)域。“現(xiàn)在我們常說‘光纖入戶’。實(shí)際上傳輸中的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)就是光信號(hào)，但光信號(hào)要經(jīng)過電腦處理，就必須轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，這個(gè)過程被稱為‘電光調(diào)制’。”據(jù)他介紹，目前主流的硅基集成電路電光調(diào)制設(shè)備，傳輸速率在每秒40G—50G；而采用初代集成光電芯片的設(shè)備，速率已經(jīng)超過了每秒100G。
“集成了鈮酸鋰晶體光電芯片的電光調(diào)制設(shè)備，目前速率已經(jīng)達(dá)到了每秒800G至1.6T，且能耗更低。”彭立果表示，“速率的提升意味著算力的提高。目前，已經(jīng)有企業(yè)選用了基于鈮酸鋰晶圓的光電芯片，我們的生產(chǎn)原材料也實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用。”
在山東省政府印發(fā)的《關(guān)于聚力推動(dòng)工業(yè)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展十大行動(dòng)的意見》中，提出“規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型覆蓋率達(dá)到90%左右”“信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)營業(yè)收入同比增長10%以上”“數(shù)字經(jīng)濟(jì)總量占全省生產(chǎn)總值比重達(dá)到49%左右”等具體目標(biāo)。
上述目標(biāo)如何落實(shí)？全國新型工業(yè)化推進(jìn)大會(huì)給出了明確答案：算力在賦能工業(yè)數(shù)字化發(fā)展、催生數(shù)字產(chǎn)業(yè)等方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，算力也成了工業(yè)經(jīng)濟(jì)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、綠色安全發(fā)展的主要助力，以及工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要手段。彭立果則干脆表示，“算力是第四次工業(yè)革命的基礎(chǔ)，而算力的提升離不開光電芯片的進(jìn)一步產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。”
“現(xiàn)在，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的處理還需要將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)；未來，電腦能不能直接處理光信號(hào)？光電芯片能否直接用在電腦上？”彭立果說，“未來，包括工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在內(nèi)，我們必將進(jìn)入光子芯片時(shí)代。而恒元光電將通過質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的原材料供應(yīng)，助力光子芯片的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。”
