中科芯电：光电子外延材料产业的探索者

孙晓霞

我国电子信息产业在连续多年保持平稳较快发展的同时，也进入了“由大变强”的关键期。在高科技产业领域，核心基础材料往往扮演着极为关键的角色，是需要持续高投入、承受高风险、费时费力的一大领域。而核心材料正是我国在信息产业领域难以突破的关键掣肘之一。近几年，砷化镓（GaAs）光电子的发展和应用备受关注。尤其是苹果（Apple）公司推出了集成有GaAs激光器的新款iPhone X，成功地实现了3D传感和人脸识别功能，GaAs光电子市场应用的快速崛起显得一片光明，GaAs光电子因此也正在成为一颗熠熠闪光的新星。有预测表示，随着5G时代的逐步到来，整个社会将进入万物互联的新阶段，光电子相关芯片、器件需求量将进一步爆发。

在GaAs光电子产品及其激光器芯片的大热的同时，外延材料的发展现状也引发了业界的格外关注，原因是光电器件的主要性能取决于外延材料。为此，本刊记者走近了中科芯电半导体科技（北京）有限公司（以下简称“中科芯电”）——我国具有自主知识产权的GaAs分子束外延（MBE）大规模生产企业。

几十年潜心钻研，成就核心技术

曾一平，中科芯电技术总监、中国科学院半导体研究所（以下简称“中科院半导体所”）研究員。从中国科学技术大学毕业后，曾一平进入了中科院半导体所，自此与化合物半导体微结构材料及相关器件的研究工作结下了不解之缘。曾一平亲证了我国半导体材料产业的发展历程，也参与了许多重大实践。例如，20世纪80年代初，曾一平参与过由4个单位联合进行MBE设备攻关项目，具体单位有中科院半导体所、中国科学院物理研究所，中国科学院上海微系统与信息技术研究所、中国科学院沈阳科学仪器股份有限公司，项目最后成功制备出了我国自主生产的第一二三代MBE设备。但在1992年国外对我国MBE设备解除禁令之后，我国逐步停止了对MBE设备的研制，目前国内的MBE设备尚需全部依赖进口。

在几十年对科学事业的辛苦耕耘下，曾一平取得了众多重要的科研成果：“八五”期间曾参与研制出国内首个室温连续激射的砷化铝镓（AlGaAs）/GaAs量子阱激光器和具有室温光双稳性能的自电光效应器件；“九五”期间研制出具有正入射吸收的长波长量子点红外探测器和新型砷化铟（InAs）/GaAs Hall器件；“十五”期间研制出高质量的GaAs和磷化铟（InP）基HEMT结构材料，并与器件研制单位合作研制出了振荡频率达150GHz的InP基HEMT器件，完成了分子束外延GaAs和InP基微结构材料的实用化生长技术。

曾一平表示，由于外延片行业技术和设备的难度较大、门槛较高，而相对来说市场需求量不是很大，所以造成了外延材料产业成为了半导体产业的发展瓶颈。多年来，我国应用于光电子、微电子方面的外延材料产业基本处于空白，市场主要由英国半导体外延材料供应商IQE公司占有。然而，拥有核心材料的厂商往往把持着各大产业的上游，对整个行业拥有很高的话语权，其一举一动可能给整个行业带来一场震动。正是意识到了外延材料和技术对于我国信息产业发展的重要作用和战略意义，以曾一平为主的科研团队对具备核心自主知识产权的光电芯片外延材料生产技术进行了科技成果转化。在这样的背景下，2014年10月，中科芯电顺势而生，主要进行以Ⅲ—Ⅴ族化合物微电子、光电子芯片外延材料的研发及规模化生产。

无数个不眠不休的日日夜夜

张杨，中科芯电总经理、中科院半导体所研究员。采访中，张杨坦言，企业里的工作节奏、工作方式和科研院所完全不同。张杨憨笑着说道，有一次熬夜工作到2点刚刚睡，4点就起来进行材料的指标测试了，而早上9点继续正常上班。他说，在中科芯电最初成立的几年里，为了很好地对生产工艺、产品性能进行摸索实践，像这样不眠不休的例子不计其数。就是在这样吃苦耐劳、坚忍不拔的战斗作风下，中科芯电在历时2年多的关键性设备采购、攻关调试后取得了不菲成绩：2016年6月20日，中科芯电成功制造出我国内第一片自主知识产权的世界级水平的大尺寸6英寸GaAs PHEMT外延片；2017年6月15日，中科芯电成功制造出大尺寸GaAs光电子LASER外延片；2017年8月10日，中科芯电自主生产的850nm、4英寸大尺寸垂直腔面发射激光器（VCSEL）光电子外延片批量试制成功；2017年12月25日，我国第一片自主知识产权4英寸、940nm VCSEL光电子外延片在中科芯电量产试制成功，这一技术成功入选“2017年度中国10大光学技术”。

VCSEL引发广泛关注源自于iphoneX采用了这一半导体激光器技术。业界认为，VCSEL激光器进入iphone产业链，不仅是公司业务的重大突破，更是以VCSEL技术为代表的半导体激光技术在消费领域的重大突破，标志着光器件也将从工业领域走向消费领域。

张杨介绍，VCSEL芯片一般用分子束外延设备或金属有机物化学气相沉积设备（MOCVD）来制造。由于器件结构复杂、外延控制精度要求高，量产技术难度大等因素，迄今国内还没有技术成熟、规模化量产的国产VCSEL芯片供应市场，国内光通信设备制造所需的中高端VCSEL芯片全部依赖于国外进口。VCSEL芯片的缺失是国内光通信产业链最大的软肋，也是制约下游企业市场竞争力的一个重要因素。因此，自主研发VCSEL芯片制造的核心技术有助于降低进口VCSEL芯片受制于人的风险，具有非常重要的社会经济效益和市场开发前景。中科芯电大尺寸VCSEL光电子外延片的试制成功，反映了中科芯电自主知识产权的技术实力得到了快速突破，产品线得到了全方位拓展，在III—V族微电子光电子大尺寸外延产业方面，实现与国际一流核心科技保持同步。

虽然创业的过程事实上非常艰辛，但张杨说并不感到辛苦，反倒在采访中他多次提及的是“感觉自己比较幸运”。他说，由于有幸得到了资本市场的青睐，中科芯电获得了1亿元启动资金，这让他感到“非常兴奋，非常自豪”。在架构科学院所与专业市场企业之间产业沟通桥梁，将科技资源优势转化为产业发展优势的过程中，试问几人能恰逢如此鸿篇巨制的“大手笔”呢？因此张杨由衷地为自己感到幸运，备加珍惜这样的机会。

张杨欣慰地表示，中科芯电已经走过了最为艰难的时期，现在一切都已经步入正轨。中科芯电曾经在技术、资金和市场方面都面临过难关，而其中最难的是资金和市场。资金的重要性自然无需多言，资金短缺的难处多能理解；市场开拓的艰难却非一般。下游应用企业一是由于使用惯性，不会轻易更换替代产品；二是对新的产品缺乏信心，所以宁愿选择进口的方式。对于这个“难啃的硬骨头”，张杨通过一次又一次国内外的展会，扩大产品影响力，让客户了解产品，就这样产品逐渐得到了市场的认可。目前，中科芯电已经获得了国内外下游客户持续量产订单。

摆脱受制于人局面，前景看好

半导体外延产业有着巨大的市场需求、广阔的开发前景和良好的社会经济效益。中科芯电在关键性战略高端半导体材料量产化研究方面实现的一系列重大突破，可以完全打破我国在GaAs、InP等Ⅲ—Ⅴ族化合物高质量核心外延材料长期依赖国外的格局。

对于未来，曾一平认为，中科芯电采用业内最高质量的MBE工艺，在高性能微结构外延生长方面，具有不可替代的优势。公司专注于外延材料的研发和生产，无论从技术上还是产业规模上，有信心、有能力、成为国际一流的化合物半导体外延材料研发和生产企业。

张杨同样信心十足地表示，作为北京“高精尖”产业的一分子，中科芯电将以“10年院研、5年企研、3年市产”的3大科技化企业持续运营方针，全力在2020～2022年建设成大规模的国内核心光电外延材料的领跑企业，助力北京打造科创中心的战略目标。