研究表明，基于鈮酸鋰光學(xué)平臺(tái)開(kāi)發(fā)出的全球領(lǐng)先微波光子芯片，可運(yùn)用光子進(jìn)行超快模擬電子信號(hào)處理及運(yùn)算，比傳統(tǒng)電子處理器快1000倍，不僅能耗更低，而且應(yīng)用范圍廣闊，涵蓋無(wú)線通信、高分辨率雷達(dá)、人工智能、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、圖像/視頻處理等多個(gè)領(lǐng)域。
如今，被稱為"工業(yè)種子材料"的鈮酸鋰晶體正進(jìn)行著一場(chǎng)光電子產(chǎn)業(yè)的顛覆性變革。2024年5月，山東恒元半導(dǎo)體科技有限公司與山東大學(xué)、濟(jì)南大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)合作，成功自主研制了12英寸（直徑300mm）的超大尺寸光學(xué)級(jí)鈮酸鋰晶體。據(jù)了解，經(jīng)過(guò)兩年的攻關(guān)，經(jīng)歷了數(shù)十次失敗，研發(fā)團(tuán)隊(duì)相繼攻克12英寸鈮酸鋰晶體生產(chǎn)設(shè)備的設(shè)計(jì)、晶體生長(zhǎng)及缺陷控制、晶體后處理等全鏈條關(guān)鍵核心技術(shù)，終于在全球首先突破了12英寸鈮酸鋰晶體生長(zhǎng)技術(shù)，標(biāo)志著我國(guó)光電子產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵材料的發(fā)展水平取得重大突破。
經(jīng)歷了數(shù)十次失敗，研發(fā)團(tuán)隊(duì)在全球首先突破了12英寸鈮酸鋰晶體生長(zhǎng)技術(shù)
從6英寸到12英寸，鈮酸鋰晶體技術(shù)新突破
鈮酸鋰晶體因其卓越的壓電、電光、聲光以及非線性光學(xué)性能，成為推動(dòng)集成光子技術(shù)發(fā)展的核心基礎(chǔ)材料。該材料在高性能濾波器、電光器件、全息存儲(chǔ)、3D全息顯示、非線性光學(xué)器件以及光量子通信等前沿領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，為集成光子的發(fā)展提供戰(zhàn)略性基礎(chǔ)支撐。
此前，恒元半導(dǎo)體通過(guò)科技成果轉(zhuǎn)化，已成功實(shí)現(xiàn)6至8英寸Z軸和X軸光學(xué)級(jí)鈮酸鋰晶體的批量生產(chǎn)。然而，全球大尺寸光學(xué)級(jí)鈮酸鋰晶體市場(chǎng)長(zhǎng)期被國(guó)外企業(yè)壟斷，超過(guò)90%的市場(chǎng)份額由國(guó)外公司占據(jù)，并對(duì)相關(guān)產(chǎn)品實(shí)施出口限制。我國(guó)在該領(lǐng)域的主流技術(shù)仍以6英寸晶體為主，技術(shù)升級(jí)需求迫切。
隨著高性能光電芯片技術(shù)的快速發(fā)展，8至12英寸的大尺寸鈮酸鋰晶體需求日益迫切。恒元半導(dǎo)體與山東大學(xué)劉宏教授、濟(jì)南大學(xué)孫德輝教授的科研團(tuán)隊(duì)合作，首次提出并攻克了12英寸鈮酸鋰晶體生長(zhǎng)技術(shù)。
科研團(tuán)隊(duì)在晶體生產(chǎn)設(shè)備設(shè)計(jì)、晶體生長(zhǎng)工藝以及缺陷控制等關(guān)鍵技術(shù)上取得突破，率先在國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了8英寸晶體的批量化制備技術(shù)，并成功研制出全球首個(gè)12英寸超大尺寸光學(xué)級(jí)鈮酸鋰晶體。
8英寸（直徑200mm）鈮酸鋰晶體
不斷增加光電芯片集成度，破局“后摩爾時(shí)代”
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。從“光學(xué)硅”的技術(shù)潛力來(lái)看，在半導(dǎo)體行業(yè)，有一條廣為人知的經(jīng)驗(yàn)法則，被稱為“摩爾定律”：集成電路上可容納的晶體管數(shù)量大約每18至24個(gè)月翻一番，從而推動(dòng)處理器性能每?jī)赡晏嵘槐?，同時(shí)價(jià)格下降至原來(lái)的一半。
摩爾定律在一定程度上反映了信息技術(shù)發(fā)展的速度，包括性能的快速提升和成本的顯著下降。然而，隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、無(wú)人駕駛等新興技術(shù)的加速發(fā)展，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速度、存儲(chǔ)密度和計(jì)算能力的要求日益提高，這使得市場(chǎng)對(duì)高性能、低功耗且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的芯片需求持續(xù)增長(zhǎng)。這一趨勢(shì)不僅推動(dòng)了芯片技術(shù)的不斷創(chuàng)新，也對(duì)半導(dǎo)體行業(yè)的未來(lái)發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)。
在物聯(lián)網(wǎng)與AI算力需求指數(shù)級(jí)暴漲的今天，基于電子和硅材料的集成電路芯片已逼近物理天花板，信息技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了“后摩爾時(shí)代”。由此，科學(xué)家們將目標(biāo)轉(zhuǎn)向了速度更快、能耗更低、性能更穩(wěn)定的光子芯片。
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)”。
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。相比于8英寸鈮酸鋰晶體，12英寸鈮酸鋰晶體可使得光電芯片集成度增加2-3倍，器件生產(chǎn)成本降低50%以上。
12英寸超大尺寸鈮酸鋰晶體
大尺寸鈮酸鋰晶體成功應(yīng)用，推動(dòng)光學(xué)級(jí)鈮酸鋰晶體國(guó)產(chǎn)化
據(jù)了解，研發(fā)團(tuán)隊(duì)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(zhǎng)及缺陷控制、晶體后處理的全鏈條關(guān)鍵核心技術(shù)。在位于濟(jì)南高新區(qū)航天大道的中歐制造國(guó)際港內(nèi)，12英寸鈮酸鋰晶體正在制作中。
在恒元光電的無(wú)塵車間內(nèi)，8個(gè)晶體生長(zhǎng)爐依次排開(kāi)。恒元半導(dǎo)體相關(guān)負(fù)責(zé)人介紹，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(zhǎng)爐里，用提拉法進(jìn)行晶體生長(zhǎng)，大約十多天，便會(huì)生長(zhǎng)成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的圓柱。經(jīng)過(guò)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。12英寸鈮酸鋰晶體研制成功，讓濟(jì)南在集成光電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的道路上再進(jìn)一步。
目前，恒元半導(dǎo)體研發(fā)的大尺寸鈮酸鋰晶體已在濟(jì)南晶正電子單晶薄膜等產(chǎn)品成功應(yīng)用，逐步替代日本進(jìn)口產(chǎn)品，助力光學(xué)級(jí)鈮酸鋰晶體的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程。恒元半導(dǎo)體相關(guān)負(fù)責(zé)人表示，晶體尺寸越大，意味著單位芯片的成本越小，這是光子芯片產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)。三年內(nèi)，恒元半導(dǎo)體計(jì)劃將晶圓年產(chǎn)量達(dá)到25萬(wàn)片。隨著該成果的進(jìn)一步推廣應(yīng)用，未來(lái)將實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益超億元，助力我國(guó)光電子基礎(chǔ)原材料的快速發(fā)展，有力保障光電子產(chǎn)業(yè)鏈的自主可控。
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