中科芯電：光電子外延材料產(chǎn)業(yè)的探索者

孫曉霞

我國電子信息產(chǎn)業(yè)在連續(xù)多年保持平穩(wěn)較快發(fā)展的同時(shí)，也進(jìn)入了“由大變強(qiáng)”的關(guān)鍵期。在高科技產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，核心基礎(chǔ)材料往往扮演著極為關(guān)鍵的角色，是需要持續(xù)高投入、承受高風(fēng)險(xiǎn)、費(fèi)時(shí)費(fèi)力的一大領(lǐng)域。而核心材料正是我國在信息產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域難以突破的關(guān)鍵掣肘之一。近幾年，砷化鎵（GaAs）光電子的發(fā)展和應(yīng)用備受關(guān)注。尤其是蘋果（Apple）公司推出了集成有GaAs激光器的新款iPhone X，成功地實(shí)現(xiàn)了3D傳感和人臉識(shí)別功能，GaAs光電子市場應(yīng)用的快速崛起顯得一片光明，GaAs光電子因此也正在成為一顆熠熠閃光的新星。有預(yù)測表示，隨著5G時(shí)代的逐步到來，整個(gè)社會(huì)將進(jìn)入萬物互聯(lián)的新階段，光電子相關(guān)芯片、器件需求量將進(jìn)一步爆發(fā)。

在GaAs光電子產(chǎn)品及其激光器芯片的大熱的同時(shí)，外延材料的發(fā)展現(xiàn)狀也引發(fā)了業(yè)界的格外關(guān)注，原因是光電器件的主要性能取決于外延材料。為此，本刊記者走近了中科芯電半導(dǎo)體科技（北京）有限公司（以下簡稱“中科芯電”）——我國具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的GaAs分子束外延（MBE）大規(guī)模生產(chǎn)企業(yè)。

幾十年潛心鉆研，成就核心技術(shù)

曾一平，中科芯電技術(shù)總監(jiān)、中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所（以下簡稱“中科院半導(dǎo)體所”）研究員。從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)畢業(yè)后，曾一平進(jìn)入了中科院半導(dǎo)體所，自此與化合物半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料及相關(guān)器件的研究工作結(jié)下了不解之緣。曾一平親證了我國半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程，也參與了許多重大實(shí)踐。例如，20世紀(jì)80年代初，曾一平參與過由4個(gè)單位聯(lián)合進(jìn)行MBE設(shè)備攻關(guān)項(xiàng)目，具體單位有中科院半導(dǎo)體所、中國科學(xué)院物理研究所，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、中國科學(xué)院沈陽科學(xué)儀器股份有限公司，項(xiàng)目最后成功制備出了我國自主生產(chǎn)的第一二三代MBE設(shè)備。但在1992年國外對(duì)我國MBE設(shè)備解除禁令之后，我國逐步停止了對(duì)MBE設(shè)備的研制，目前國內(nèi)的MBE設(shè)備尚需全部依賴進(jìn)口。

在幾十年對(duì)科學(xué)事業(yè)的辛苦耕耘下，曾一平取得了眾多重要的科研成果：“八五”期間曾參與研制出國內(nèi)首個(gè)室溫連續(xù)激射的砷化鋁鎵（AlGaAs）/GaAs量子阱激光器和具有室溫光雙穩(wěn)性能的自電光效應(yīng)器件；“九五”期間研制出具有正入射吸收的長波長量子點(diǎn)紅外探測器和新型砷化銦（InAs）/GaAs Hall器件；“十五”期間研制出高質(zhì)量的GaAs和磷化銦（InP）基HEMT結(jié)構(gòu)材料，并與器件研制單位合作研制出了振蕩頻率達(dá)150GHz的InP基HEMT器件，完成了分子束外延GaAs和InP基微結(jié)構(gòu)材料的實(shí)用化生長技術(shù)。

曾一平表示，由于外延片行業(yè)技術(shù)和設(shè)備的難度較大、門檻較高，而相對(duì)來說市場需求量不是很大，所以造成了外延材料產(chǎn)業(yè)成為了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展瓶頸。多年來，我國應(yīng)用于光電子、微電子方面的外延材料產(chǎn)業(yè)基本處于空白，市場主要由英國半導(dǎo)體外延材料供應(yīng)商IQE公司占有。然而，擁有核心材料的廠商往往把持著各大產(chǎn)業(yè)的上游，對(duì)整個(gè)行業(yè)擁有很高的話語權(quán)，其一舉一動(dòng)可能給整個(gè)行業(yè)帶來一場震動(dòng)。正是意識(shí)到了外延材料和技術(shù)對(duì)于我國信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要作用和戰(zhàn)略意義，以曾一平為主的科研團(tuán)隊(duì)對(duì)具備核心自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的光電芯片外延材料生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行了科技成果轉(zhuǎn)化。在這樣的背景下，2014年10月，中科芯電順勢而生，主要進(jìn)行以Ⅲ—Ⅴ族化合物微電子、光電子芯片外延材料的研發(fā)及規(guī)模化生產(chǎn)。

無數(shù)個(gè)不眠不休的日日夜夜

張楊，中科芯電總經(jīng)理、中科院半導(dǎo)體所研究員。采訪中，張楊坦言，企業(yè)里的工作節(jié)奏、工作方式和科研院所完全不同。張楊憨笑著說道，有一次熬夜工作到2點(diǎn)剛剛睡，4點(diǎn)就起來進(jìn)行材料的指標(biāo)測試了，而早上9點(diǎn)繼續(xù)正常上班。他說，在中科芯電最初成立的幾年里，為了很好地對(duì)生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品性能進(jìn)行摸索實(shí)踐，像這樣不眠不休的例子不計(jì)其數(shù)。就是在這樣吃苦耐勞、堅(jiān)忍不拔的戰(zhàn)斗作風(fēng)下，中科芯電在歷時(shí)2年多的關(guān)鍵性設(shè)備采購、攻關(guān)調(diào)試后取得了不菲成績：2016年6月20日，中科芯電成功制造出我國內(nèi)第一片自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的世界級(jí)水平的大尺寸6英寸GaAs PHEMT外延片；2017年6月15日，中科芯電成功制造出大尺寸GaAs光電子LASER外延片；2017年8月10日，中科芯電自主生產(chǎn)的850nm、4英寸大尺寸垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）光電子外延片批量試制成功；2017年12月25日，我國第一片自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)4英寸、940nm VCSEL光電子外延片在中科芯電量產(chǎn)試制成功，這一技術(shù)成功入選“2017年度中國10大光學(xué)技術(shù)”。

VCSEL引發(fā)廣泛關(guān)注源自于iphoneX采用了這一半導(dǎo)體激光器技術(shù)。業(yè)界認(rèn)為，VCSEL激光器進(jìn)入iphone產(chǎn)業(yè)鏈，不僅是公司業(yè)務(wù)的重大突破，更是以VCSEL技術(shù)為代表的半導(dǎo)體激光技術(shù)在消費(fèi)領(lǐng)域的重大突破，標(biāo)志著光器件也將從工業(yè)領(lǐng)域走向消費(fèi)領(lǐng)域。

張楊介紹，VCSEL芯片一般用分子束外延設(shè)備或金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積設(shè)備（MOCVD）來制造。由于器件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、外延控制精度要求高，量產(chǎn)技術(shù)難度大等因素，迄今國內(nèi)還沒有技術(shù)成熟、規(guī)?；慨a(chǎn)的國產(chǎn)VCSEL芯片供應(yīng)市場，國內(nèi)光通信設(shè)備制造所需的中高端VCSEL芯片全部依賴于國外進(jìn)口。VCSEL芯片的缺失是國內(nèi)光通信產(chǎn)業(yè)鏈最大的軟肋，也是制約下游企業(yè)市場競爭力的一個(gè)重要因素。因此，自主研發(fā)VCSEL芯片制造的核心技術(shù)有助于降低進(jìn)口VCSEL芯片受制于人的風(fēng)險(xiǎn)，具有非常重要的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益和市場開發(fā)前景。中科芯電大尺寸VCSEL光電子外延片的試制成功，反映了中科芯電自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)實(shí)力得到了快速突破，產(chǎn)品線得到了全方位拓展，在III—V族微電子光電子大尺寸外延產(chǎn)業(yè)方面，實(shí)現(xiàn)與國際一流核心科技保持同步。

雖然創(chuàng)業(yè)的過程事實(shí)上非常艱辛，但張楊說并不感到辛苦，反倒在采訪中他多次提及的是“感覺自己比較幸運(yùn)”。他說，由于有幸得到了資本市場的青睞，中科芯電獲得了1億元啟動(dòng)資金，這讓他感到“非常興奮，非常自豪”。在架構(gòu)科學(xué)院所與專業(yè)市場企業(yè)之間產(chǎn)業(yè)溝通橋梁，將科技資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)發(fā)展優(yōu)勢的過程中，試問幾人能恰逢如此鴻篇巨制的“大手筆”呢？因此張楊由衷地為自己感到幸運(yùn)，備加珍惜這樣的機(jī)會(huì)。

張楊欣慰地表示，中科芯電已經(jīng)走過了最為艱難的時(shí)期，現(xiàn)在一切都已經(jīng)步入正軌。中科芯電曾經(jīng)在技術(shù)、資金和市場方面都面臨過難關(guān)，而其中最難的是資金和市場。資金的重要性自然無需多言，資金短缺的難處多能理解；市場開拓的艱難卻非一般。下游應(yīng)用企業(yè)一是由于使用慣性，不會(huì)輕易更換替代產(chǎn)品；二是對(duì)新的產(chǎn)品缺乏信心，所以寧愿選擇進(jìn)口的方式。對(duì)于這個(gè)“難啃的硬骨頭”，張楊通過一次又一次國內(nèi)外的展會(huì)，擴(kuò)大產(chǎn)品影響力，讓客戶了解產(chǎn)品，就這樣產(chǎn)品逐漸得到了市場的認(rèn)可。目前，中科芯電已經(jīng)獲得了國內(nèi)外下游客戶持續(xù)量產(chǎn)訂單。

擺脫受制于人局面，前景看好

半導(dǎo)體外延產(chǎn)業(yè)有著巨大的市場需求、廣闊的開發(fā)前景和良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。中科芯電在關(guān)鍵性戰(zhàn)略高端半導(dǎo)體材料量產(chǎn)化研究方面實(shí)現(xiàn)的一系列重大突破，可以完全打破我國在GaAs、InP等Ⅲ—Ⅴ族化合物高質(zhì)量核心外延材料長期依賴國外的格局。

對(duì)于未來，曾一平認(rèn)為，中科芯電采用業(yè)內(nèi)最高質(zhì)量的MBE工藝，在高性能微結(jié)構(gòu)外延生長方面，具有不可替代的優(yōu)勢。公司專注于外延材料的研發(fā)和生產(chǎn)，無論從技術(shù)上還是產(chǎn)業(yè)規(guī)模上，有信心、有能力、成為國際一流的化合物半導(dǎo)體外延材料研發(fā)和生產(chǎn)企業(yè)。

張楊同樣信心十足地表示，作為北京“高精尖”產(chǎn)業(yè)的一分子，中科芯電將以“10年院研、5年企研、3年市產(chǎn)”的3大科技化企業(yè)持續(xù)運(yùn)營方針，全力在2020～2022年建設(shè)成大規(guī)模的國內(nèi)核心光電外延材料的領(lǐng)跑企業(yè)，助力北京打造科創(chuàng)中心的戰(zhàn)略目標(biāo)。