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深度剖析光电子技术和产业现状:面临5大挑战 北京产业发展可以这样做……

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发表于 2019-5-10 21:27:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
本文内容和图片为北京新材料发展中心和中科院半导体所两家单位原创,授权新材料在线发布,如需转载,请联系原作者。

作者:北京新材料发展中心 杨晓丽、夏瑾、张欢、潘长波;感谢中科院半导体所李明、杨林、李志勇等专家提供素材

光电子技术是光子技术和电子技术结合而成,通过光子激发电子或者电子跃迁产生光子,实现光能与电能转换的新技术。光电子技术按照应用领域主要分为信息光电子、能量光电子、消费光电子、军用光电子四大领域,其技术水平和产业能力已经成为衡量一个国家综合实力和国际竞争力的重要标志。

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。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。

本报告主要就光电子核心技术进行分析,并结合北京创建国家科技创新中心战略需求,对北京发展光电子技术及产业提出相关建议。

一、国内外光电子技术政策布局

国外从20世纪80年代开始在光子学领域投入了大量精力。美国国防部和能源部把光子学列为美国20项关键技术之一,2014年10月美国总统奥巴马宣布光子集成技术国家战略,投入6.5亿美元打造光子集成器件研发制备平台,其中包括以南加州大学为核心的光子工艺中心;日本目前正在实施First Program,部署了“光电子融合系统技术开发项目”;德国政府将光子学确定为21世纪保持其在国际市场上先进地位的九大关键技术之一,投入35亿欧元用于红外监测、激光表面处理等与光电子技术相关的产业与研发,其中“地平线 2020”计划更是集中部署了光电子集成研究项目,旨在实现基于半导体材料和二维晶体材料的光电混合集成芯片。

我国也对光电子技术和产业进行了政策重点布局。2011年科技部《国家重大科学研发计划》对高性能纳米光电子器件进行重点支持;2017年发布的《十三五材料创新专项规划》指出大力研发新型纳米光电器件及集成技术,加强示范应用;2017年工信部正式公布智能制造试点示范项目名单,加快发展光电子器件与系统集成产业,推动互联网、大数据、人工智能和实体经济深度融合;2018年3月科技部“十三五”《国家重点研发计划》在光电子领域进行部署。

二、国内外光电子核心技术发展现状分析

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。

1、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和磷化铟为代表的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及氮化硅,目前主流为SOI。

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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以及MBE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,中国大陆还未开始量产。

2)氮化镓

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。

2、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、分布式反馈激光器、电吸收调制激光器,超辐射发光二极管、激光二极管,分别适用于不同的传输距离和速度。

VCSEL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。

DFB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。

EML激光器:EML为电吸收调制器与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。

紫外激光器:半导体紫外激光器在激光加工、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。

量子级联激光器: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。

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。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锁。

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检测器和雪崩光电二极管检测器。

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和工业界的广泛关注,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,完成了中国硅基可集成激光器零的突破。

综上所述,未来期望通过硅基可集成光源、高速调制器和高响应探测器的研发,全面推动硅基光电子集成芯片的迅速发展。

三、我国光电子产业市场现状

十三五期间,随着大数据、云计算、第5代移动通信、物联网以及人工智能等应用市场快速发展,汽车、能源、通信等垂直行业对光电子产品与服务的需求也必将进一步扩大,行业市场规模将继续保持快速的增长,2017年行业市场规模高达8028亿美元,行业复合增长率达到10.8%,2018年行业市场规模可达8831亿美元。预计2024年行业市场规模将突破万亿,达到10781亿元。

1、光通信应用领域

受益于我国通信网络的全面推进建设,我国光通信器件市场规模保持着快速的增长趋势。数据显示,2012年,我国光通信器件市场规模为100亿美元,2017年行业市场规模为203亿美元,复合增长率达到15.2%,在全球光通信器件市场规模占比接近30%。但我国光通信领域企业整体实力仍然偏弱,产品结构不够合理,大部分企业徘徊在中低端领域,同质化严重,主要依靠价格优势维持生存。以光传输领域为例,国内三大系统设备商在光传送设备领域的国际市场份额的占比已经超过50%;在光接入设备领域,占比更是超过70%,但是在10G以上速率的有源光器件、100G光模块等高速产品方面,核心技术缺失,供给能力上接近为“零”。总体上上游材料和芯片的薄弱导致相应的光器件、组件及模块发展受到制约,不仅高端产品严重依赖进口,甚至部分中低端产品亦无法实现完全国产化,采购渠道受日、美等发达国家控制。

2、光传感领域

根据中国电子元件行业协会信息中心的数据,2016年,全球光传感器市场规模达1370亿元。中国光传感器市场规模达778亿元,约占全球市场规模的57%。近年来,在智慧城市、物联网、智能移动终端、智能制造、机器人、智能电网等下游应用市场的推动下,中国光电传感器市场快速成长,成为拉动全球光传感器市场增长的主要力量。预计到2022年,全球光传感器市场规模将成长至1836亿元,2016-2022年复合增长率达5%,中国光传感器市场规模将成长至1180亿元,2016-2022年复合增长率达7%。尽管未来中国光传感器市场的增速可观,但目前我国光传感器行业的现状主要是企业规模偏小、产品档次低、市场份额低。

四、我国光电子技术与产业面临挑战

目前国际上光电子器件供应商逐渐被美日德法光电子企业和系统集成商收购,而我国进口的光电子芯片中65%和30%分别来自美国和日本公司。我国高端光电子芯片主要依赖美国公司,一旦美国对我国实施禁售,将对我国的信息产业安全和战略安全构成了巨大的威胁。我国光电子技术面临挑战如下:

1、基础能力薄弱,核心技术对外依存度高

我国光电子核心技术及产业整体实力仍然偏弱,上游芯片/器件水平与国际的差距远大于下游系统应用水平与国际的差距。上游材料和芯片的薄弱导致相应的光电子器件发展受到制约,高端产品严重依赖进口,采购渠道受美国、欧洲、日本等发达国家控制。

2、关键工艺技术和平台水平与国外相比存在较大差距

光电子技术的材料生长、核心芯片制造工艺与国外高端水平差距较大,且缺乏标准化与规范化的共享工艺平台。目前中国大陆的光电子芯片流片加工基本依赖新加坡、加拿大、中国台湾、德国、荷兰等国家和地区。由于缺乏光电子器件制造工艺平台,难以形成完备的标准化光电子器件研发体系,造成中国大陆光电子器件技术与国外差距逐渐扩大,严重制约了核心信息光电子芯片/器件的研发与产业化。

3、高端工艺技术人才匮乏

我国在基础理论研究方面与国外先进水平差距不大,但由于关键工艺技术平台的薄弱,导致缺乏培养高端工艺技术人才的成长环境。比如,中科院上海微系统所在2017年刚刚筹建中国第一条基于90nm工艺的8英寸硅基光电子线,目前仍有一些设备没有到位;工信部信息光电子创新中心规划建设硅基光子集成全系列工艺线,目标是解决8英寸以上硅光晶圆的流片和器件产品规模制造核心技术,目前正在工艺摸索阶段;天津与清华大学共同建设的高端光电子芯片创新中心刚刚通线,这使得高端工艺技术人才的培养迫在眉睫。

4、关键领域缺乏创新,技术成果产业化率较低

我国光电子技术的发展处于跟跑阶段,对于前沿技术、颠覆性技术的研发投入不足。且我国光电子产业生态建设相对滞后,协同创新能力水平较低,缺少研发成果向产业界转化的有效环节和途径,导致成果很难直接进行产业化转移转化。

5、知识产权体系建设亟需加强

当前发达国家的跨国公司在不断强化针对我国企业的知识产权战略部署。目前,我国缺乏有效的知识产权体系,申请专利、标准和知识产权保护还没有成为企业发展的内在需要,加上知识产权收益无法得到有效保障,导致企业在新产品技术开发投入领域,普遍地缺乏积极性。

五、北京市光电子技术与产业发展现状

1、研发资源优势突显

北京在光电子领域汇聚全国顶尖的科技资源,已积累了深厚的技术储备。近五年来,北京在光电子领域获国家奖共计15项,占全国总数的将近40%。在光通信、光传感材料与器件研发方面处于国内领先地位,甚至国际领先的地位,使北京在光电子领域具有很强的技术优势和发展后劲。其中量子级联激光器等研究更是取得了一系列国际领先的科研成果,有力地提升了北京光电子领域在国际上的学术地位。

2、顶尖人才集聚

北京聚集了涉及光电子材料生长、光电子器件制备、平台工艺等领域的大量人才。其中中科院两院院士12位,约占全国光电子领域院士三分之一。同时,聚集了30多个优势团队,分布在中科院半导体所、中科院物理所、中科院微电子所、北京大学、清华大学、北京邮电大学、北京交通大学等国内顶尖的科研院所与高校。涌现出北京大学周治平团队、清华大学黄翊东团队、中科院半导体所刘峰奇团队、中科院物理所张建军团队、中科院微电子所王文武团队等具有国际影响力的优秀团队,为北京光电领域全链条创新奠定了坚实的人才基础。

3、研发平台众多

北京构筑了多个国际一流的研究平台,拥有“集成光电子学国家重点实验室”等国家级实验室6个,北京市级实验室与工程中心近20个。北京率先搭建了硅基光电子工艺平台,可完成硅基光电子器件库的设计、流片、测试等工艺,公开发布了成套制造工艺库和器件库,是我国首个具有完整硅光子工艺流片能力的平台。上述平台使北京具备了实现全链条创新的硬件基础条件。

4、北京企业与科研机构合作紧密

北京中科芯电、万集科技、比特大陆、世维通、航天时代等企业已与北京优势团队开展产学研合作,在激光雷达、光计算、光传感等应用领域进行布局。

六、北京市发展光电子技术及产业建议

1、推进光电子研究院建立

针对当前中国光电子技术及产业化的薄弱环节,建立北京光电子研究院,有效整合国内外各类创新资源,建立联合开发、优势互补、成果共享、风险共担的“政产学研用资”协同创新机制。

2、打造国际一流的硅基光电子器件加工工艺平台

以中科院微电子所硅基光电子芯片与器件加工工艺平台为基础,建设一套国际一流的硅基光电子集成技术中试平台,形成标准化集成器件设计、加工开放平台。向国内外科研机构、公司企业提供基础设备、技术服务,加速硅基光电子集成技术产业化进程,与国际先进技术平台实现技术互通和共享。对于平台的运行,按照实际发生的服务量,政府给予双向补贴。

3、突破共性关键技术

面向光电子战略重点领域,开展产业前沿技术研究与共性关键技术研发,突破产业链关键技术与共性技术供给瓶颈,实现产业持续健康发展,逐步缩小同国外先进水平的差距,提升中国光电子器件的核心竞争力,带动相关产业转型升级。

4、强化知识产权保护机制

通过明晰的知识产权保护机制,激励科研人员的技术创新,以利益机制实现产权的激励功能。在建设光电子研究院的过程中,就要通过专利法、商标法、版权法等专门法律来保护知识产权所有者的权益,从而激励产权所有者的创造发明积极性。

5、以研究院为依托建立健全创新机制

为研究院孵化出的企业提供一种专业化、创造性的创业环境,在企业的产品研发、专利申请、许可证办理、市场开发、资金融通到产品销售的全过程中起到催化剂作用;以研究院为创新平台,着手引进国内外优秀研究机构和企业来京创新创业。

本文封面图来源于图虫创意
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