中科芯電：光電子外延材料產業的探索者

孫曉霞

我國電子信息產業在連續多年保持平穩較快發展的同時，也進入了“由大變強”的關鍵期。在高科技產業領域，核心基礎材料往往扮演著極為關鍵的角色，是需要持續高投入、承受高風險、費時費力的一大領域。而核心材料正是我國在信息產業領域難以突破的關鍵掣肘之一。近幾年，砷化鎵（GaAs）光電子的發展和應用備受關注。尤其是蘋果（Apple）公司推出了集成有GaAs激光器的新款iPhone X，成功地實現了3D傳感和人臉識別功能，GaAs光電子市場應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。有預測表示，隨著5G時代的逐步到來，整個社會將進入萬物互聯的新階段，光電子相關芯片、器件需求量將進一步爆發。

在GaAs光電子產品及其激光器芯片的大熱的同時，外延材料的發展現狀也引發了業界的格外關注，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”）——我國具有自主知識產權的GaAs分子束外延（MBE）大規模生產企業。

幾十年潛心鉆研，成就核心技術

曾一平，中科芯電技術總監、中國科學院半導體研究所（以下簡稱“中科院半導體所”）研究員。從中國科學技術大學畢業后，曾一平進入了中科院半導體所，自此與化合物半導體微結構材料及相關器件的研究工作結下了不解之緣。曾一平親證了我國半導體材料產業的發展歷程，也參與了許多重大實踐。例如，20世紀80年代初，曾一平參與過由4個單位聯合進行MBE設備攻關項目，具體單位有中科院半導體所、中國科學院物理研究所，中國科學院上海微系統與信息技術研究所、中國科學院沈陽科學儀器股份有限公司，項目最后成功制備出了我國自主生產的第一二三代MBE設備。但在1992年國外對我國MBE設備解除禁令之后，我國逐步停止了對MBE設備的研制，目前國內的MBE設備尚需全部依賴進口。

在幾十年對科學事業的辛苦耕耘下，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首個室溫連續激射的砷化鋁鎵（AlGaAs）/GaAs量子阱激光器和具有室溫光雙穩性能的自電光效應器件；“九五”期間研制出具有正入射吸收的長波長量子點紅外探測器和新型砷化銦（InAs）/GaAs Hall器件；“十五”期間研制出高質量的GaAs和磷化銦（InP）基HEMT結構材料，并與器件研制單位合作研制出了振蕩頻率達150GHz的InP基HEMT器件，完成了分子束外延GaAs和InP基微結構材料的實用化生長技術。

曾一平表示，由于外延片行業技術和設備的難度較大、門檻較高，而相對來說市場需求量不是很大，所以造成了外延材料產業成為了半導體產業的發展瓶頸。多年來，我國應用于光電子、微電子方面的外延材料產業基本處于空白，市場主要由英國半導體外延材料供應商IQE公司占有。然而，擁有核心材料的廠商往往把持著各大產業的上游，對整個行業擁有很高的話語權，其一舉一動可能給整個行業帶來一場震動。正是意識到了外延材料和技術對于我國信息產業發展的重要作用和戰略意義，以曾一平為主的科研團隊對具備核心自主知識產權的光電芯片外延材料生產技術進行了科技成果轉化。在這樣的背景下，2014年10月，中科芯電順勢而生，主要進行以Ⅲ—Ⅴ族化合物微電子、光電子芯片外延材料的研發及規模化生產。

無數個不眠不休的日日夜夜

張楊，中科芯電總經理、中科院半導體所研究員。采訪中，張楊坦言，企業里的工作節奏、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點剛剛睡，4點就起來進行材料的指標測試了，而早上9點繼續正常上班。他說，在中科芯電最初成立的幾年里，為了很好地對生產工藝、產品性能進行摸索實踐，像這樣不眠不休的例子不計其數。就是在這樣吃苦耐勞、堅忍不拔的戰斗作風下，中科芯電在歷時2年多的關鍵性設備采購、攻關調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第一片自主知識產權的世界級水平的大尺寸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，中科芯電自主生產的850nm、4英寸大尺寸垂直腔面發射激光器（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產權4英寸、940nm VCSEL光電子外延片在中科芯電量產試制成功，這一技術成功入選“2017年度中國10大光學技術”。

VCSEL引發廣泛關注源自于iphoneX采用了這一半導體激光器技術。業界認為，VCSEL激光器進入iphone產業鏈，不僅是公司業務的重大突破，更是以VCSEL技術為代表的半導體激光技術在消費領域的重大突破，標志著光器件也將從工業領域走向消費領域。

張楊介紹，VCSEL芯片一般用分子束外延設備或金屬有機物化學氣相沉積設備（MOCVD）來制造。由于器件結構復雜、外延控制精度要求高，量產技術難度大等因素，迄今國內還沒有技術成熟、規模化量產的國產VCSEL芯片供應市場，國內光通信設備制造所需的中高端VCSEL芯片全部依賴于國外進口。VCSEL芯片的缺失是國內光通信產業鏈最大的軟肋，也是制約下游企業市場競爭力的一個重要因素。因此，自主研發VCSEL芯片制造的核心技術有助于降低進口VCSEL芯片受制于人的風險，具有非常重要的社會經濟效益和市場開發前景。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產權的技術實力得到了快速突破，產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業方面，實現與國際一流核心科技保持同步。

雖然創業的過程事實上非常艱辛，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”。他說，由于有幸得到了資本市場的青睞，中科芯電獲得了1億元啟動資金，這讓他感到“非常興奮，非常自豪”。在架構科學院所與專業市場企業之間產業溝通橋梁，將科技資源優勢轉化為產業發展優勢的過程中，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，備加珍惜這樣的機會。

張楊欣慰地表示，中科芯電已經走過了最為艱難的時期，現在一切都已經步入正軌。中科芯電曾經在技術、資金和市場方面都面臨過難關，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。下游應用企業一是由于使用慣性，不會輕易更換替代產品；二是對新的產品缺乏信心，所以寧愿選擇進口的方式。對于這個“難啃的硬骨頭”，張楊通過一次又一次國內外的展會，擴大產品影響力，讓客戶了解產品，就這樣產品逐漸得到了市場的認可。目前，中科芯電已經獲得了國內外下游客戶持續量產訂單。

擺脫受制于人局面，前景看好

半導體外延產業有著巨大的市場需求、廣闊的開發前景和良好的社會經濟效益。中科芯電在關鍵性戰略高端半導體材料量產化研究方面實現的一系列重大突破，可以完全打破我國在GaAs、InP等Ⅲ—Ⅴ族化合物高質量核心外延材料長期依賴國外的格局。

對于未來，曾一平認為，中科芯電采用業內最高質量的MBE工藝，在高性能微結構外延生長方面，具有不可替代的優勢。公司專注于外延材料的研發和生產，無論從技術上還是產業規模上，有信心、有能力、成為國際一流的化合物半導體外延材料研發和生產企業。

張楊同樣信心十足地表示，作為北京“高精尖”產業的一分子，中科芯電將以“10年院研、5年企研、3年市產”的3大科技化企業持續運營方針，全力在2020～2022年建設成大規模的國內核心光電外延材料的領跑企業，助力北京打造科創中心的戰略目標。