对话源杰半导体丨硅光时代,如何实现InP高端光芯片突破

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在光通信传输过程中,发射端将电信号转换成光信号,调制后从激光器发出激光束通过光纤传递,接收端将接收到的光信号并将其转化为电信号,经调制解调后变为信息。

在这之中,实现电信号和光信号之间相互转换的光电芯片是光电技术产品的核心部件。

随着数据中心建设、5G网络深入布局,国内光模块企业全球市场份额的提升,中国光模块市场进一步增长。有数据表明,2022年中国光模块市场规模有望超30亿元,增速有望赶超全球。

受益于光模块的大规模生产和应用,作为光模块主要组成部分的光器件,其最具核心技术的部件——光通讯激光芯片的需求也水涨船高。而这关键的核心技术恰恰严重依赖海外厂家。

虽然迎来“国产替代”之大潮,但芯片厂商如何快速突破中高端产品是一个艰巨的任务。

在2021年CIOE中,凭八年的技术沉淀陕西源杰半导体科技股份有限公司(以下简称“源杰半导体”或“源杰”),其第五代移动通信前传25Gbps波分复用直调激光器斩获 “中国光电博览奖“金奖,一跃成为年度黑马,受众人瞩目。

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源杰半导体成立于2013年,产品涵盖从2.5G到50G InP激光器芯片,拥有完整独立的自主知识产权。产品的技术先进性、市场覆盖率和性能稳定性已经位居行业前列。

目前,国内能称得上完成了从半导体晶体生长,晶圆工艺,芯片测试与封装全部开发完毕的企业,可谓凤毛麟角,源杰半导体这家高科技企业跻身其中,始终专注于进行InP高速的半导体光芯片的研发、设计和生产,历经八年艰辛实现了工业化规模生产。

据了解,源杰半导体主要产品是以DFB(分布式反馈激光器)芯片为主,相较于VCSEL面射型激光器芯片而言,DFB激光器具备更高光功率输出,能应用于短距离到长距离的传输,应用面较广。

为了探索源杰取得今天成就的奥秘,近日,维科网光通讯深度对话陕西源杰半导体首席技术官潘彦廷博士。

十二问源杰半导体,揭秘高端芯片替代历程

潘彦廷博士钻研光通信半导体激光器的设计开发领域20年,相关技术积累涵盖半导体外延设计,工艺设计开发,高速芯片封测理论计算,担任源杰半导体研发总负责人,投入光通信领域2.5G、10G、25G、50G及以上所需求的激光器产品开发。

1、从设计生产一直到流片能完成一个完整的芯片生产环节国内的企业有多少家这样的企业?您认为源杰区别于其他企业的生产模式在哪里?

【潘博士】国内其实有几间芯片制造企业也具备从外延、晶圆制造、芯片封测的垂直整合制造链,其中把控晶体外延的质量相对关键,面对市场高速光芯片的需求要求提高,这对芯片厂的开发与交付能力都面临考验,芯片企业要把这一块做好实属不易,能做到真正交付高端芯片的企业其实非常的少,这也是国内具备垂直整合的芯片厂正在努力的方向。

源杰于公司成立之初,意识到晶体外延与扎实的晶圆工艺开发是国内芯片厂需要努力积累的技术实力,因此前几年均致力于基础晶圆制造能力的打磨,从设备、人员、技术、制度等方面踏实的堆积经验,以产品实力来达成客户的认可。

开发与制造周期非常重要。源杰确信能自主掌控从设计、制造、测试等垂直制造链的IDM模式能高效的提升开发周期,生产风险自主可控,因此源杰产品的芯片开发制造任一环节,不委托外厂设计制造,芯片中的每一个结构细节、每一块组份构成,都是来自源杰的设计细胞与汗水的匠心。

2、在带宽提升的浪潮之下,25G以上高速速率产品对外延的要求越发高。在芯片整个开发环节里,什么工艺最为关键?

【潘博士】 25Gbps以上的光芯片,讲究的是高速设计与外延、晶圆工艺的结合实现,晶圆的外延工艺制造更是其中关键,这产品须在保证可靠性的前提下,将高速的性能体现出来,这一点其实相当不易。一般高速光芯片的有源区使用的半导体易出现氧化的问题,这对光芯片长期工作的可靠性容易造成风险,源杰在晶体外延与晶圆工艺上进行特殊的设计,实现在保证可靠性的同时,芯片性能达到25Gbps以上的高速要求。

3、外延的难体现在哪里?我们卖的所有的芯片的内部的外延结构都是我们自己长的对么?

【潘博士】外延技术的确为行业里面的关键点,它的难主要体现在通过金属有机化合物气相沉积系統(MOCVD)进行精准的半导体材料精準堆叠控制,尤其在有源区中,常常要求多层堆叠的结构每层厚度在10纳米以下级别,这厚度已经特别薄,要做到对这种厚度的均匀性精准控制极具高难度,也是企业在对高速的芯片做外延时最容易遇到的工艺控制上的瓶颈。只要企业攻克这关就相对能灵活地开发各类的产品。

此外,芯片厂进行外延开发是为了商用化的过程实现,这需花大量的时间对机台的条件参数做调试。它是一个比较花时间的基本功,国内企业开发高速产品时在这块仍在做技术的积累与基本功的打磨,短期内也形成部分芯片企业透过国外或是其他区域采购外延片的方式,再继续于厂内进行光刻晶圆工艺,利用工艺分区制作来制造产品,这部分也考验着多个生产制造环节的交付周期与生产风险把控。无论哪一种生产制造模式,目前国内光芯片厂发展得很快,很多企业已经渐渐能从低速的产品转向高速的光芯片制作,源杰也致力于和国内外的高速需求一起前进,截至目前,源杰2.5G、10G、25G与50G以上全系列产品,都是在厂内完成自主外延、制造与测试,自主可控性高,高速性能提升的50G DML工业级产品也将在今年年底陆续推出。

4、目前行业上芯片的开发周期普遍是多长?相比于同行,源杰半导体的表现如何?

【潘博士】芯片的开发周期与企业原本具备的开发能力、产品规格需求等相关,同一产品的开发周期对不同企业是不同的,源杰在评估产品的需求与公司开发能力的匹配后进行评审,然后通过立项开发、多次开发样品迭代、厂内性能与可靠性验证、送样客戶端验证通过了才能算是 “可批量发货”的产品。

整个产品从开发到客户验证结束,基本上能耗费一年半到两年的时间方可实现批量发货。这“一年半”还仅是从立项开始,就要跟客户在性能指标上进行密切对接及对设计方案的定型,中间有任何一个环节出问题都会导致研发周期的拉长。

而在开发周期上,源杰具备一定的开发优势。源杰的产品开发拥有从设计、制造到测试验证的全程自主权限,开发时间相对具备一定的可支配性,设计迭代期间也容易借由数据的分析,在厂内直接排查设计或是工艺造成的影响,对比于其他企业,源杰的一个样品开发出来能得到的迭代信息量更大,利用厂内资源将各环节的量化数据去定性设计下一轮迭代,用做对的事的原则来缩短开发过程的迭代次数。

5、目前光器件跟光模块部署量最大的依然是100G,和中间过渡的200G光模块, 但同时,主流的部分也已经向400G靠拢了,我们的InP芯片的发展也遵循摩尔定律吗?

(全球知名的半导体厂商英特尔在集成电路的浪潮下,提出了著名的“摩尔定律”:价格不变时,半导体芯片中可容纳的元器件数目约每两年会翻一倍,其性能也会同比提升。)

【潘博士】高速通信网路的速率迭代确实非常快,在数据中心要实现这样的高速迭代,直接要求光芯片与电芯片在性能上翻倍其实不容易,因此在芯片端跟不上这翻倍的需求时,利用更换调制码型或是增加通道数等方式缓解速率上的翻倍需求。

由于更换调制码型、增加通道数,在体积、功耗、成本、封装复杂度对光模块都是要求,并非是一定的长久方案,主要是借此提供一些开发时间等待光芯片与电芯片的高速性能提升,因此在这需求下,芯片端的压力其实非常大,国内外芯片厂也是前仆后继在性能上竭力的提升,这压力不比硅基的摩尔定律压力小。

6、有这么多种基底可以选择,咱们最后为什么选择InP?

【潘博士】 我们在光纤传输因为光纤材料的限制,所常用是具有低色散特性的1310nm波长,及具有低损耗特性的1550nm的波长。激光器能发射这类波长的半导体材料有限,一般常见的是铟镓砷磷InGaAsP与铝铟镓砷AlInGaAs这两类四元的三五族半导体材料最常见,要成长这类半导体材料需选择合适晶格匹配的衬底,这部分只有磷化铟InP这衬底材料的晶格常数能相对较为适配。

因此在距离相对较短的2km、10km的高速数据中心1310nm波段,可以看到高速DML产品,中长距离40km、80km的高速EML,接入网的2.5G 1310/1490/1550nm、10G DML产品,4G LTE/5G无线产品 10G/25G DML产品、甚至到长距离1000km以上相干领域所使用激光器,都是以InP为衬底的产品,应用面非常广。

7、咱们的产品与PIC光子集成有哪些相似之处?PIC的大规模使用对我们是否有冲击?

【潘博士】 没有冲击,而是商务与技术开发的引领,PIC集成本为高速低成本的发展趋势,源杰开发的激光器本身,也因应InP系的PIC集成与Si系PIC集成方向发展,源杰的EML产品及属于集成下的产品,在InP系的集成发展,能逐渐拓宽赛道,评估带入更多的集成器件。

而Si系的PIC集成,硅基材料缺的是光源。

源杰已推出的25mW/50mW/70mW大功率激光器产品即为适配硅基光子集成所开发出的产品,在光集成电路的传输里我们可以提供这种光源,并能与之形成协同互助的效应。

可以理解成激光器负责恒定发光,再把光耦合到硅基波导里面,利用硅基里面的无源光路进行传输,利用硅锗的调制器做光的切换调制,光芯片与硅芯片双方以此合作关系相辅相成,由于硅基制作技术成熟,利用代工,让商业量化集成的可实现性高。

8、相比同行咱们的产品有什么特点?市场表现如何?

【潘博士】目前源杰的2.5G/10G产品,例如:2.5G 1490nm、2.5G/10G 1270nm等波段的DML,具备一定的功率上的性能优势,在接入网受到客户相对非常支持。25G WDM DML产品,在5G无线应用也是首批支持三大电信运营商批量出货的产品,受到客户的肯定。

在数通领域的25G与50G PAM4 DML产品也广泛国内外客户的批量采购,这对国内外厂商使用高速激光器产品提供了除了美日光芯片供应商的另一个选择。

9、目前在研发这些之中有没有遇到对行业来讲也都是比较难的瓶颈?又如何攻克?

【潘博士】为了提供高速通信领域的激光器,对DML高速性能的要求上,或是对EML这一类的集成产品已经是行业中致力开发的重点。

如何在保证可靠性的前提下,实现商用化高速率的性能开发是非常不易的,攻克之路必须依赖扎实的工艺技术积累与设计开发经验迭代,而开发时间有限,必须精准投入开发。源杰已在此开发的路上,并预计于明年第一季陆续推出更高速的50Gbps DML和EML产品供客户体验。

10、限制产能的条件有哪些?

【潘博士】在国内开发这些高速产品比较大问题是高速产品的开发需要时间,其次是场地资源的限制。

源杰产能扩张的计划,预计于于2022年中,会在新址创新港建设好新厂房。在研发与生产线上的资源会有明显的增加,此次扩厂对于开发与生产更高速或是集成度更高的产品具有极高意义。

未来国内的光芯片能力提升后,会出现来自国内外对光芯片的需求,各类的高速光芯片、集成芯片等生产制造如果只有能力送样,无能力生产,会形成光芯片厂的一大瓶颈,源杰相信自身的芯片实力能将高质量的产品形象植入客户心中,并借由扩张产能,以持续稳定供货的交付能力赢得长期合作的信赖。

11、陕西的光通讯产业链的市场前景如何?源杰会不会考虑开辟第二事业线?

【潘博士】光通讯的市场种类很多,相应地各市场种类衍生的激光器也出现多样化。

目前,源杰处于产能有限的束缚之下,对于产品的生产投入正谨慎进行,未来在产能上有了扩充,这些需求的空间会往光通信市场未来更高端的需求开发,这也是国内光芯片厂与国外同时努力的方向,因此高速、高性价比的芯片会持续在光通讯市场形成需求的,如何稳定良率与提高性能,是一直要持续的目标。

第二事业线的想法对于所有有能力发展的光芯片厂是一定会出现的思考,源杰在光通信激光器领域上的技术积累,其实有利于水平或垂直延伸,但是扩到每一块都属新的商业赛道,必须警慎选择路标,凡是有机会的领域,源杰都会思考在资源允许下提前布局,而目前的短期规划仍是专心的做好激光器,在前进的路上,也会有新的商业机会碰撞,源杰会视匹配度而拓展合适的商业版图。

12、在会不会考虑在深圳扩产芯片?

【潘博士】建厂会考虑当地的产业链上是否有合适的配套与产业价值,当评估后大于原来的生产基地价值,才会考量他地设厂,毕竟场地分散也具备不同的资源成本付出。

对于源杰来讲,我们前期在陕西打下了基础,目前在陕西內进行产品之类的调运更容易实现资源分配,其次是人员的成本和地的成本也因异地而造成成本的提升。在光通讯目前的商业环境考量下,这形成源杰本次的扩厂先选择在陕西內建厂。

目前光芯片厂商主要集中在武汉光谷,越往南密集度越下降,难以形成规模效应,配套措施和人员成本是两大制约因素。建厂从投入到产出开始盈利需要几年的周期,如果持续几年的高支出,基本上新厂也不易支撑下来。

上游全覆盖,深扎稳打硅光时代

过去的二十年里,以太网技术已经被广泛用在了企业园区,家庭产业园及安防监控等领域,未来更大带宽,更低时延的以太网相关技术还将进一步渗透到大数据、云计算、物联网、数据中心等场景,面对新的应用,以太网的速率也在不断增长,从最初的10M,100M到最近标准化的400G,接口速率已经翻了4万倍,这是个光通信产业链大可作为的时代。

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图片来源:源杰半导体

通过与源杰半导体首席技术官潘彦廷博士的深入交流,了解到源杰半导体的整个产品线的维度也枝繁叶茂,除了传统的DFB激光器芯片以外,已经扩展出另外两条新的路线——EML和大功率硅光技术这两条路线。

借助对工艺设备八年来的积累,在技术上,源杰半导体做到“有源区晶体外延/晶圆工艺/及芯片测试”等上游全覆盖,完成“有源区外延工艺-光栅工艺-二次外延工艺-晶圆工艺-自动化芯片测试-芯片高频测试及可靠性测试”的技术垂直整合。

源杰的产品线已经实现光通信激光器芯片低中高速产品2.5G、10 G、25G及以上DFB及EML激光器的 全系产品铺设, 在短中长波产品上涵盖 1270~1570nm全波段DFB/EML激光器。

通过大量研发资金的投入,源杰对设备生产出产品工艺的各种参数进行新摸索,加速新产品能力,凭借独立自主的创新体系和大可作为的知识产权和生产设备,将产品落地与无线前传、数据中心、及光纤入户上。

公司引入先进的生产设备,实现多系列多品种高速激光芯片的分产线化生产、 扩大产线产能,同时提升产品质量稳定性、优化产品良率;此外,通过深化研发工作,开发新产品、新工艺,保持公司在光通信芯片行业先进的技术水平及较高的产品良率,并促进国内半导体产业的稳步提升。

“国产替代”之大浪潮下,谁在裸泳不重要,未来,源杰半导体继续在硅光时代深扎稳打,深耕芯片领域。

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