专家视角 | 攻克“芯”瓶颈 加码“光”制造

当前，以半导体激光芯片为基础的激光工业在全球发展迅猛，被广泛应用于工业生产、光通讯、信息处理、医疗美容、3D传感、军事、文化教育以及科研等领域。无论是光源抑或激光芯片，正迎来一波又一波全新的技术方向和市场热点。本期内容，镭Sir整理了几家该领域相关的优秀企业和专家谈谈他们对中国激光芯片厂商应当如何突破核“芯”瓶颈的看法，为持续推动技术创新、直面挑战并把握这一产业赋予新机遇和新动能。

参与嘉宾：

借行业东风 迎更多机遇

 

深圳瑞波光电子有限公司总经理助理于占涛表示：“激光作为一种强渗透性的基础技术，其应用定会愈发广泛。从技术上看，未来激光将向超快、超强峰值、高亮度、大功率、超短波、超长波、可调谐、宽光谱等等方向发展及演变。就前沿科研领域而言，新型半导体激光器、超快超强激光器、深/极紫外激光器、高能固体激光器和自由电子激光器领域是重要方向。“

市场热点方面，激光在智能制造、信息通信（尤其是5G带动的高速海量数据传输）、无人驾驶、生物医疗，以及国防等领域将成为接下来的应用热点。此外，激光技术还作为激光显示、激光核聚变和量子通信的重要基础而得到飞速发展。

 

西安立芯光电科技有限公司总经理李波指出：“未来激光加工行业一定会朝着高效率、高亮度、低成本的方向发展。首先，带来的便是激光技术在工业加工领域的广泛普及，如激光切割、熔覆、焊接等应用场景将会迅速增长。接下来将会快速向军工及民用市场扩展，如军事上应用的激光制导、激光扫描、激光武器，以及民用市场的激光医美、激光照明、激光测量、智能物联、汽车雷达、机器人等等。”

激光芯片的应用不断拓展，例如在材料加工、医疗美容、激光雷达等领域均可寻获其身影

在度亘激光技术（苏州）有限公司首席运营官张艳春看来，激光芯片的重点突破方向包括更高效率（如极低腔内损耗和高内量子效率的外延结构设计与优化、高质量缺陷密度的外延材料生长工艺技术和低缺陷、低应力精细化材料器件制备工艺技术等）；更高亮度（如超高亮度激光器的外延结构设计与优化和高损伤阈值激光腔面物理与关键工艺技术等）；更高可靠性（如高可靠半导体激光芯片设计技术、低缺陷、低应力精细化材料器件制备工艺技术和先进的FAB管理技术等）；更宽广的波长范围和更宽广的应用领域。他认为，要加速芯片国产化首先必须不断创新，掌握核心技术，为下游客户创新提供坚实保障。其次，要持续提高性价比。从设计、制程和配套方面，提高良率、降低成本，真正为客户创造价值，保证整个产品质量和供应链的合理发展。

深圳新亮光子技术有限公司总经理罗玉辉犀利指出：“激光芯片譬如VCSEL（垂直腔面发射激光器）、EEL（边缘发射激光器）的成本控制将成为技术难题，如果成本如今天的LED一样，而由于其性能更加优良，势必在未来取代LED市场。”未来激光波长会向1550nm方向发展，鉴于人眼基本不吸收该波段以上的光，因此更加安全。另外，红绿蓝三基色激光芯片技术愈发成熟，将在显示领域崭露头角。

 

随着5G技术和人工智能物联网的发展，激光芯片在消费电子、光通信、车载航空、工业应用等领域势必迎来更迅猛的发展势头，万亿产值并非海市蜃楼。“例如车载激光雷达，预计2022年会达到442万的出货量，机器人、无人机等出货量将达到500万个。”他补充道。

突破核“芯”瓶颈

 

激光芯片诚然是激光产业链的基石、源头与核心战略发展的瓶颈。当前，中国半导体激光芯片制造商在该领域仍然存在不少亟待攻关的技术和应用挑战。中国制造商应当怎样打破国外芯片技术封锁？目前，他们在技术储备、工艺经验、人才等方面的发展现状究竟如何？

于占涛坦诚道：“目前，中国大功率半导体激光芯片在640nm-1700nm波段的多模激光技术水平接近国外先进水平，无论是外延片和芯片，均实力不菲。当前欠缺的反而是被大家所忽略的领域，比如衬底、热沉方面，与国外产品尚有一定的差距。”在可见光领域，中国RGB半导体激光产业无论是外延片还是芯片制造仍与国外领先水平存在巨大差距，红光差距不是太大，但基于GaN体系的蓝绿光激光器国产化方面仍步履艰难。在光通信领域，国产芯片仍集中于中低速领域，高速芯片尚处于追赶阶段，另外，有些特殊芯片，如用于EDFA（掺铒光纤放大器)领域的高端980nm单模芯片仍无法实现国产化，急需引起重视。

 

中国在工业、通信、医疗、激光雷达等激光芯片的技术储备、工艺经验以及人才方面是比较充分的，然而在某些领域，大功率的蓝绿光、单模激光、VCSEL等方面，中国在产业化方面仍需加大努力，这需要国家、企业、高校等各方的群策群力。

图片来源：站酷海洛

张艳春指出，国内激光芯片发展现状体现为中高端主要依靠进口；更高性能的产品更是被国外垄断，并实行技术封锁和产品禁运；应用端发展迅速，上游芯片实力相对薄弱，尤其是最上游的外延片和芯片核心技术难以突破。同时，国内高端半导体激光芯片面临产业化难点，譬如投入成本较高、技术门槛高、产业化人才匮乏等。

“目前，国内多数半导体激光企业多数只具备芯片COS或封装技术，很少企业能够提供大功率半导体激光芯片。”究其原因主要在于：大功率半导体激光芯片的技术和工艺门槛极高，国内在技术储备、工艺经验、人才等方面都比较欠缺。另外，半导体激光芯片从外延到流片需要经历200多道工序，任何一道工序出问题都可能给产品性能和良率造成重大影响。“然而，也应当清楚看到国内大功率半导体激光芯片产业经过多年的磨练后出现了质的飞跃，更多参与者入市，人才、资金方面有了很大的改善，而国内的强劲需求也促进了国产芯片的快速发展。”

 

广东粤港澳大湾区硬科技创新研究院常务副院长、陕西光电子集成电路先导技术研究院总经理杨军红表示， 中国激光芯片行业起步较晚，发展时间较短，在技术经验积累方面还存在很大不足。与国外激光芯片企业相比，整体竞争力较弱，国内的半导体激光芯片高度依赖于国外。“在国内激光芯片产业链中，制造环节是短板。”相较集成电路工艺流程，激光芯片的工艺流程较为简单，涉及外延、光刻、解理、镀膜等，但基本都是非标准化工艺，不同的产品需求和生产条件都需搭配不同的工艺参数，一个典型的边发射激光芯片工艺流程如图所示。

其中，外延工艺是最核心的步骤，异质结结构、量子阱结构等都是在外延工艺中制作的。“外延工艺中杂质、厚度和缺陷的控制直接决定了激光芯片的发射波长、效率、可靠性、老化等性能。”对于外延来说，难点首先为外延结构的设计。其次，工艺的难点在于优化调整外延设备参数如温度、压力、气流等，生长出低缺陷密度的，符合设计结构要求的外延材料。“除了外延工艺，边发射激光器的反射膜和增透膜的镀膜工艺也是非常关键的步骤，除了影响器件参数，还可能严重影响器件的可靠性。”对于高功率激光芯片来说，长时间的工作可能会造成镀膜损毁、脱落等问题，因此对端面的清洗处理以及后续的镀膜工艺都提出很高的要求。

携手同行 并肩努力

2019-2020年，中美贸易战前景仍旧扑朔迷离，各行各业均面临不同程度的困难，年初爆发的新冠疫情更让全球制造业面临了巨大的冲击。身处种种内忧外患，激光产业亟需突破重围，迎接新一轮的升级转型和创新发展。

于占涛悉数道：“当前，中美贸易战愈演愈烈，有可能演变成全面的科技封锁战、金融战和经济战，这无疑给各行各业的企业造成巨大的挑战和压力。”在此背景下，国家也提出了内外两大主循环的概念，将内需和外贸提到同等位置，这对激光产业而言，提出了更高的要求：如何在维护和提升性能的同时，降低产品成本，开发更多创新产品，让激光覆盖更多应用领域，从而促进激光产业持续和稳定的发展。”对企业而言，更是要苦练内功，提升技术的关键时刻，否则很容易被时代淘汰，企业之间也需要携手共进，共克时艰，避免惨烈价格战，方能营造一个健康可持续的发展环境。“

在李波看来，首先疫情终将会被战胜，很多行业都在逐步复苏。“随着全球各行业的复工复产，作为新基建战略实施的重要支撑行业，激光行业必将迎来一个快速发展期，形成完备的国产化供应链。”长期以来，立芯光电在不断稳定供货的同时，始终保持高强度的研发投入和自主创新。“今年以来，我们坚定落实疫情之前制定的芯片扩产布局，加大投入进行产品升级和产线扩充，为迎接未来市场的高速增长做好充分准备。”

 

罗玉辉指出，华为、中兴事件警醒了国内企业，必须掌握芯片设计、制造等核心技术。“首先，要确保供应链的安全性。”积极采用全球安全供应链，完善国内备用安全供应链，保证安全供货。其次，IDM模式的重要性愈发凸显。需要打造从芯片设计、制造、封装、产品、销售于一体的先进IDM模式，成为技术安全型企业向来是新亮光子的运营思路。第三，质量保证体系的重要性。从市场开拓、样品制作到量产、销售、售后服务层层把关，以“客户第一”的理念服务广大客户。

图片来源：站酷海洛

 

紧握契机 奋力突围

随着激光芯片产业链不断的完善成熟，下游应用的持续延伸和拓展，以及人才储备和技术积累日益升级，国产激光芯片在未来两年将迎来不少重要的发展新机遇和新动能。

于占涛表示，随着国产芯片厂商在产品、应用、研发等领域的积累，加上进口替换效应的带动，国产化激光芯片将在近两年迎来巨大的发展机遇。首先是5G市场的爆发。5G基站建设已成为热门的投资方向。今年，中国移动、中国电信、中国联通、中国铁塔相继公布了2020年的5G投资计划，合计投资总额约2000亿元。“据中国信息通信研究院预测，到2025年5G网络建设投资累计将达到1.2万亿元，并将带动产业链上下游以及各行业应用投资超过3.5万亿元。这将给国产激光芯片带来巨大商机。”

其次是工业加工市场。工业加工仍是激光产业份额最大的应用市场，尽管受到汽车和消费电子市场疲软的影响，增速减缓甚至衰减，但该细分市场的体量仍是最为庞大的，对国产芯片而言，面临巨大的进口替换空间，这一市场也将成为未来国产芯片与国外巨头激烈争夺的制高点。

 

第三，激光雷达是细分市场快速增长的一个领域，全球激光雷达市场在2019年的规模为8.44亿美元，同比增长超过30％。激光雷达不仅能用于自动驾驶车辆，并且也开始用于商用汽车（如奥迪A8）、地理测绘、无人机导航、服务机器人、建筑施工、医疗等诸多领域。“目前全球人口老龄化趋势明显，各国在医疗领域投入也越来越高，医疗与美容激光器市场在连续几年实现超过10％的收入增长，在未来仍然会保持可观的增长幅度。”

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张艳春提出了几方面的发展机遇。首先是人才储备和技术积累。技术要由研究型向产业方面升级。其次是产业链协同发展。以工业应用为代表的下游强劲需求。第三，产品应用范围的扩大，譬如深化激光芯片在科学研究、工业制造、生物医疗、信息产业的广泛应用。诚然， 加速芯片国产化也需要不断创新，掌握核心技术，才能为下游客户创新提供坚实保障。第四，要借助资本的力量尽快形成规模和品牌效应，充分参与国际竞争。

杨军红指出，近日，国务院印发《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》，其中提到，中国芯片自给率要在2025年达到70%。“最近的中美贸易战对国内激光芯片企业而言也是一个很好的机遇。国内的激光芯片企业，需要脚踏实地的进行技术研发和积累，依靠自身不断的完善芯片制造能力，解决中国激光器‘缺芯少核’的瓶颈。”

 

作为光电芯片的重要分支，半导体激光芯片拥有广泛的应用，如光通讯、材料加工、医疗、激光雷达、激光显示等。中国是激光器产业大国，在激光器方面，中低功率激光器基本实现了国产替代，高功率激光器的国产化率较低。在全球市场中，有德国OSRAM、美国II-VI、美国coherent、美国lumintem，这些国外企业在激光芯片领域起步较早，技术、人才积累丰富，具备明显竞争优势。“国内激光芯片企业主要有华光光电、瑞波光电、立芯光电、度亘激光等，这些优秀企业近年在研发、技术、产品质量等方面不断进步，并开始进军高端芯片领域。”

蓄势待发 全方位布局

 

当前，激光芯片领域的制造商们纷纷积极部署，已取得了不少重要的科研成果和工业应用突破。对于未来的发展版图，他们又有哪些规划和期许？

于占涛悉数介绍：“经过多年的技术攻关，瑞波光电已经成功开发出多款大功率半导体激光芯片及封装产品，包括638 nm、755nm、780 nm、808 nm、830 nm、880 nm、905 nm、915 nm、940 nm、976 nm、1470 nm、1550 nm系列，芯片的技术指标和可靠性居于国内重要地位，部分产品达到世界头部水平，均实现了产业化生产并销售，广泛应用于工业加工、激光雷达、激光显示、医疗美容、科研等方面。”

 

除此之外，瑞波还针对半导体激光芯片制造过程的关键环节陆续研发和推出了成系列、自动化程度高的表征测试及老化设备，为研制和生产高性能的半导体激光器提供强有力的保障，弥补了国内在半导体激光芯片和器件的测试表征的短板,目前测试设备出货总量超过100台,大幅提升了中国激光行业的整体测试水平。

 

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李波说道，2020年立芯光电在芯片腔面镀膜技术、高功率芯片产品可靠性以及大批量规模化生产方面都取得了显著进步。“升级完成的高功率激光器芯片，可以广泛应用于工业加工及军工领域，替代目前市场上的进口芯片，弥补国产激光器芯片在高功率领域的不足。配合扩产工作的稳步进行，公司的产能很快就有望实现超10倍的增长。” 目前，立芯光电的808nm系列产品、880nm系列产品已得到市场的广泛认可。915nm和976nm系列产品，正在与下游重点客户紧密合作，加速升级。

立芯光电在一直专注于研发及品质控制，并开始布局公司未来的发展版图。为此立芯从德国采购了两台MOCVD生长设备，并计划与中科院相关单位合作，尽快建立自己的外延片生产线。其次，随着公司的产品被客户逐步采用，需求量也在不断增大，原有的产能已无法满足需求。为此，公司新建 7500㎡办公场地，主要为洁净车间用于生产，建立一条新的生产线，将产能扩充到目前的10倍以上，预计到2021年3月可以全部完成。

据张艳春介绍，度亘激光成立于2017年5月，拥有覆盖化合物半导体激光器芯片设计、外延生长、器件工艺、芯片封装、测试表征、可靠性验证、以及功能模块等全套工程技术能力和量产制造能力，专注于工业加工、光通讯、感知探测、医疗美容和科学研究等产业领域所需的高性能、高功率、高可靠性光电芯片及器件的研发和制造。

从激光芯片的核心技术方面看，度亘激光取得了不少进展。“我们拥有先进的芯片设计，包括外延层结构设计、器件结构设计、工艺流程设计和腔面特殊设计。同时，公司掌握外延生长核心技术，譬如在多尺寸外延片、高质量XRD、高质量量子阱PL等方面。”此外，度亘激光在精细化的器件工艺制备方面累积了丰富经验，这其中涵盖20个工艺模块，200道工艺步骤，以及1000个具体操作。“另外，我们研发的激光芯片的输出功率不断提高，主要源自于对腔面技术的不断突破。端面COMD抑制技术可谓是激光芯片生产企业的核心关键技术。”

低应力的封装工艺技术也不可或缺。通过焊料将半导体激光芯片焊接在散热性好的热沉上，以提高半导体激光芯片的散热性，从而提高其使用寿命。度亘的焊接工艺具有无空洞、精密对准、低应力等特点。产品方面看，度亘激光也陆续研发出多款创新产品，包括高质量外延晶圆；单管芯片（涵盖单模和多模器件，功率介于0.5W-30W）；巴条芯片（CW功率从50W-200W；QCW功率从100W-700W）；COS/MCC等形式的芯片级封装器件；开放式封装模块；光纤耦合式封装模块，以及其他客户定制化的产品服务。

罗玉辉表示，目前新亮智能旗下多家子公司已通过国家高新技术企业认定、ISO9001国际质量管理体系认证、SGS权威检测CE认证、RoHS集团拥有近100项自主知识产权。新亮自主研发的高性能940nm 4W VCSEL芯片常温下电光转化效率PCE高达46.2%，在高温60℃时，PCE仍然高达40%。“另外，产品的斜率效率（SE）为1.13W/A，在整个温度范围内展示了卓越的性能，超越全球水平，既能满足智能终端低功耗的要求，又能满足车载激光雷达的高可靠性要求。”

940nm 4W芯片高温功率测试

毋庸置疑，作为“激光芯片”大军中的一员，企业也亟需获得来自政府及市场环境方面的更多助力。在于占涛看来，目前中国激光产业缺少制度性的顶层统筹谋划和长远规划，支撑激光产业发展的基础研究（如支撑新产品研发的新机理、新机制、新工艺）不够，导致原创性激光人才较为稀缺，“产学研用”协同创新不够，并且也也缺少产业发展政策配套支持。

“当前，全球正进入‘光子时代’，以先进半导体激光芯片技术为代表的光子技术是‘后摩尔时代’的核心及颠覆性技术之一，已成为当前国际产业竞争的制高点。希望政府在政策层面、长远规划、基础研究领域给与产业更多支持，在支持硅基集成电路的同时，大力支持光子芯片的发展，相信会收获意想不到的效果。”他总结道。

由慕尼黑展览（上海）有限公司主办的第十六届慕尼黑上海光博会将于2021年3月17-19日回归上海新国际博览中心。展会将集中展示激光生产与加工技术、激光器与光电子、光学与光学制造、检测与质量控制（含红外技术与应用产品特色展示）以及成像与机器视觉六大主题领域创新产品及应用解决方案。展会同时还将聚焦中国芯片行业和芯片技术，汇集国产芯片及其制造行业的展商，这将是芯片及光电企业2021开年创新之秀！

 

2021年慕尼黑上海光博会展示面积将有望达60,750平方米，参展企业预计1,200家，与慕展”旗下的重要品牌展会——慕尼黑上海电子生产设备展（productronica China）、机器视觉产业联盟联合举办的VisionChina (上海)联动展出，将为观众与行业打造更高品质、更多元化、更具有前瞻性的专业平台，为现代制造业集中展示光电技术未来发展趋势及前景！

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