硬科技觀察 | 光電子集成技術的機遇與挑戰
發布日期:2019-05-10

       近年來,光電子集成技術是產業界、學術界及投資界關注的重點,同時也是陜西西安提出的“硬科技八路軍”中的一個重要分支。陜西光電子先導院自2016年起已連續三年成功舉辦了 “西安國際光電子集成技術論壇”,為行業提供了技術交流和產業對接的平臺。


       今天做客光電子先導院硬科技觀察欄目的是來自全球集成光子路線圖組委會中國召集人、中科院微電子所兼職研究員、Vision &Action公司創始人張少先博士。我們有幸請到張博士談談目前光電子集成產業的發展狀況。


       張少先于2006年在Eindhoven University of Technology(埃因霍溫理工大學)獲光電子學博士學位。2006-2010年,在ASML公司從事光刻機光學畸變控制研發工作。此后,張少先博士在荷蘭創辦Vision and Action(V&A)公司,推動光電及相關領域的技術合作與產業化開發工作。曾攜手二十多家在全球業界有頂尖技術水平的西歐地區技術型企業與研究機構,同國內行業龍頭企業與研究院所開展國際技術合作與產業化開發工作,在光電及相關領域取得了突出成績。


1光電子行業VS微電子行業

       微電子行業目前已經深入到社會生活的方方面面,對整個人類社會的發展起到了極為巨大的推動作用。而我們常說21世紀是光的世紀,即是說光電子領域的潛力是非常巨大的。如果把光電子特別是集成光電子跟微電子對比的話,從業態角度來講,光電子大體上相當于微電子行業上個世紀八十年代的水平,當時微電子行業有專業的Fabless,有專門的Foundry,且封裝標準化也開始發熱;從集成度角度來講,一顆集成光電子芯片集成了幾百個上千個功能性單元,目前這樣的芯片也已經開始走向實用化;從發展勢態來看,因形成了良好的社會化分工,建立起系統的工業體系,微電子行業過去幾十年得到了迅猛的發展,盡管現代集成光子是處于一個百花齊放的時代,但是從長遠發展角度來說,仍需要向微電子行業學習和借鑒,從投融資、設計、流片、封測及一系列產品應用的每一個環節,都需要形成極為專業化的社會分工,形成一個很大的工業體系。


2 多種工藝路線綜合互補,實現應用目的

      從工藝角度來講,光電子集成有多種工藝路線:有目前非常火的硅光,有化合物半導體InP、SiN,近些年聚合物在集成光子方面發展也非常快。不同的工藝路線都有自己的優勢:SiN在做無源方面是非常好的工藝體系;InP在做有源方面技術也已經非常的成熟和完善;以SOI為基礎的硅光方面,能夠跟CMOS工藝平臺很好的銜接起來,這些年受到的關注非常大;而聚合物的集成光子非常適合跟外界進行柔性封裝。其實每一個工藝路線都有它自己的特點,但是從應用的角度來看,關鍵還是要根據應用需求來拉動,在不同工藝技術之間進行互補和綜合。


以通訊行業為基礎,普及應用到社會的方方面面

       實際上目前整個集成光子行業最大的痛點或者說整個行業關注的焦點并不是在工藝方面,而是在應用驅動方面。從小的方面講,集成光子起到了非常重要的作用,比如在通訊行業以及從通訊行業衍生出來的數據中心領域的應用。但從大范圍來講的話,還存在很大的應用空白和欠缺。實際上集成光子可以與跟生物技術、人工智能、航天航空相結合,與整個物聯網及各行各業相結合。這其中有大量的機遇,但這些機會還沒有被深度挖掘,導致整個業界都存在一種困惑:即雖然集成光電子技術非常有用,但除了應用在通訊和數據中心外,大的應用到底在哪里,并沒有明確的方向。舉個例子,比如集成光子技術在生命科學方面的應用,以血液檢測為例,包括無損傷檢測,就是一個非常大的應用機會。

      當下在大規模封裝以及高密度集成下的測試這兩個方面還存在很多工業化的挑戰。如何跨越這些障礙,首先可以通過大家很熟悉的通訊以及數據中心應用的拉動,把大規模封裝及測試基礎夯實,然后再引用到與其他各行業的應用中,比如與生命科學結合與物聯網的結合,從而形成有機的互動。集成光子在物聯網方面的應用必然是非常大的,但物聯網對于成本要求非常苛刻,必須得有能夠進行極大規模生產的、低成本的工業體系支撐,集成光子才能跟其他行業順利結合起來。集成光子技術在通訊和數據中心中的應用,業界看的比較清楚,且行業發展也非常迅猛,但我們要以這個為基礎,一方面通過已經明確的市場需求迅速的完善整個工業體系,特別是在大規模封裝和測試環節;同時,要特別關注在新興領域里面的發展,使得集成光子能夠跟社會的方方面面應用更好的結合起來,這將是一個互相融合發展的過程。


集成光子產品開發的兩個“成功與失敗的凡是定律”

       德國HII研究所馬丁舍歐教授總結了過去20年集成光子產品開發的兩個凡是定律:凡是成功的案例都有一個共性規律,就是解決了一個其他領域無法解決的問題;凡是失敗的案例也有一個共性規律,就是在已有的成熟解決方案上,僅僅為了從價格上去取代的,基本都是失敗的。

集成光子是一種使能型技術,就如何利用光的特點來看,要么把一些已經比較成熟東西再增加新的生命力然后讓它大放異彩,要么充分利用其特點來解決目前市場的痛點但是又沒有解決的問題,以此為抓手是容易產生比較好的產業化效果的。


5 與世界領先水平的差距及追趕方向

       現代集成光子處于一個百花齊放的時代。比較領先的光子集成研究團隊集中在美國、德國、法國、荷蘭、日本、新加坡、中國(包括臺灣)地區等等,大家在工藝上的探索已經非常充分了,相比較市場的拉動,工業的基礎也已經非常好了。

現在核心問題在于要把更多的應用特別是上量的應用發展起來,而上量的應用跟整個集成光子的工業體系建設有關系。現在芯片設計并不難,全世界包括國內也都有很好的流片平臺,但從應用角度來講,缺的是流片完之后如何實現高效的低成本封裝;如何能夠使得整個產品的良率提升;如何有很好的應用場景能夠來嘗試產品。在這些方面還比較缺失,但并不是某一個企業或者某一個研發機構,更不是一個小的創業團隊能夠彌補的,需要所有人一起努力來把整個工業體系建立起來,才得以從根本上解決問題。

       與國外的foundry工藝相比,從硬件層面上講,我們國內是第一流的,從科研人員的工作水平方面講,我們也是世界第一流的。但同時也存在兩個方面的差距,一是面向小批量流片或者科研機流片過程當中的整個流程性管理還不夠專業化;二是在有關執行規則方面,比如一個工藝平臺如何能夠為這個行業進行公眾服務,其相關知識產權維護及規避同業競爭等問題的安排上還欠缺經驗。

從代工工藝的角度來講,中科院微電子所工藝平臺的水平已經處于世界先列。同IMEC相比,從工藝參數這些對標上講是在同一個水平的,實際上在整個流片的周期上國內反而還有一定的優勢。需要加強的是,在小規模流片方面提高流片過程管理中的專業化程度,以及為行業進行服務時,注意各種商業規則的建立及形成行業共識。

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