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長光華芯:打造高功率半導體激光器芯片“國家隊”,參與全球競爭

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【摘要】:
OVC專訪
“光電物語”系列采訪作為武漢光博會的特別策劃,貫穿全年,通過采訪企業技術高管,介紹各企業技術理念及先進的創新技術,并宣揚其為產業帶來的推動作用,以此鼓勵我國光電企業積極進行技術創新。
 
本期“光電物語”,蘇州長光華芯光電技術有限公司首席技術官兼常務副總經理王俊博士,將帶我們一起走近長光華芯。
 
王 俊
1965年10月出生于湖北,蘇州長光華芯光電技術有限公司首席技術官兼常務副總經理,博士畢業于加拿大McMaster大學,國家人才計劃專家,科技部評審專家,江蘇省創新創業領軍人才,江蘇省“雙創團隊”領軍人才,姑蘇創業創新領軍人才,蘇州市“重大創新團隊”領軍人才,高新區創新創業領軍人才,蘇州市科技魅力人物,現任蘇州長光華芯光電技術有限公司首席技術官兼常務副總經理,有近二十年的半導體激光器從業經驗。
 
回國契機--國內有需求,個人有發展
 
半導體激光芯片是整個激光產業鏈的技術核心與源頭,是帶動新興產業發展的關鍵。但長期以來,核心芯片技術被國外壟斷,并且有著嚴格的進出口控制,導致該領域尚無一顆中國量產激光芯片。雖然國內投入高端芯片研發的機構比比皆是,但最終能夠實現量產的并不多見。
 
高端半導體激光芯片在國內技術儲備的空白,成為制約我國戰略新興產業發展的一大重要瓶頸。因此,在工業和其他多個應用領域,國內對其研發需求極度渴求,而國內客戶也有志攻克這項短板。
 
“回國創業,并不是一時沖動?!蓖蹩〔┦炕匾淶?,“常年在國外生活,深刻感受到了國內外的差距,一種為國爭光的使命感油然而生,于是,我下定決心回國。國內有市場,有需求,有客戶的支持,無論是對公司還是對個人而言,都是利好的??梢運凳牽汗謨行棖?,個人有發展?!?nbsp;
 
對于半導體激光器產業來說,技術門檻高、投入力度大、量產周期長、經濟效益不明顯、芯片人才和設備的匱乏,這些難題一直困擾著國內企業,讓他們有志而不敢為,望而卻步。但是王俊對此卻并不當回事。他認為,“公司成立之初的前期規劃,讓設備、人員以及投入等各個階段都圍繞著這個方向平衡發展。這是非常重要的。只要我們團隊有決心,能堅定一個方向走下去,不管遇到什么樣的情況,我們都能迎刃而解?!?事實證明,這種規劃也是具有前瞻性的。
 
 
    長光華芯自2012年成立以來,從芯片到???,從固體激光器抽運源到光纖激光器抽運源,從前期定位到后期發展,始終專注于高端半導體激光器的研發和制造。短短幾年時間,長光華芯便解決了外延生長技術、腔面鈍化技術以及器件制作工藝水平等方面的多個技術難題,這也使長光華芯能夠在最短的周期內成為全球少數幾家、國內唯一一家研發并量產高功率半導體激光器芯片的公司,打破了核心半導體激光芯片長期被國外芯片制造商壟斷的局面。
 
核心技術成就高品質產品--基于產品和技術的布局思路
 
    中美貿易戰讓“卡脖子技術”再次受到重視,“自主核心”成為激光同仁交流中的高頻詞。目前國內中低功率的光纖激光器技術已趨成熟,隨著市場對高功率光纖激光器需求的提升,作為核心器件的抽運源面臨著更大的挑戰。而長光華芯卻將“挑戰”變成“機遇”,在半導體激光器領域,實現了核心技術的自主創新,并擁有一條完整的產品線。
 
據王俊博士介紹,長光華芯從2012年成立以來,一直致力于高功率半導體激光器芯片及相關光電器件和應用系統的研發生產和銷售,已經擁有從芯片設計、MOCVD(外延)、光刻、解理/鍍膜、封裝測試、光纖耦合、激光系統等完整的工藝平臺和量產線?!拔頤塹牟廢咧饕辛礁齜較?,一是已經實現大規模生產的高功率半導體激光器,這是我們目前主要的研發方向;二是目前處于小批量生產,但未來有可能大量產的VSCEL激光雷達芯片?!?/div>
 
布局一:半導體激光器芯片兼顧光纖激光器和固體激光器市場
 
半導體激光器作為抽運源主要用于兩類激光器:一是光纖激光器,如915 nm、976 nm、970 nm等波段,二是固體激光器,如808 nm、885 nm等波段。
 
在工業激光領域,915 nm或976 nm的摻鐿光纖激光器占據市場的主導地位。據王俊博士介紹,二者在工藝上差別不大,主要的區別體現在可靠性、應用效率和成本方面。
 
976 nm摻鐿光纖的吸收峰約為915 nm的2.5倍,因此吸收率更高,非線性效應也會降低。對激光器生產商而言,更高的光電轉換效率、更短的增益光纖意味著更低的成本,而對終端用戶而言,降低了非線性效應意味著長期穩定性更好,維護頻率及成本更低。
 
但976 nm芯片的狹縫相比915 nm的要窄,因此976 nm芯片在工業應用時對環境、溫度的要求更高。這也是長光華芯前期很多產品都以915 nm半導體激光器作抽運源的根本原因。
 
摻鐿光纖吸收與激射光譜
 
915/976 nm泵浦摻鐿光纖斜效率對比
 
    但隨著配套制冷系統的完善,這一問題已逐漸被解決。加上市場上中低功率光纖激光器的產品同質化日益嚴重,競爭日益激烈,不少技術領先的光纖激光器廠家紛紛開始將目光投向高功率光纖激光器,而市場廣泛認可的915 nm波段抽運方案在高功率光纖激光器開發中存在著局限。
 
    憑借著長光華芯高管們敏銳的市場嗅覺和精準的商業判斷,自2016年開始,他們就調整了976 nm產品的戰略方向,通過對芯片參數、效率、功率等性能指標的提高,使其從科研領域逐步適用工業應用,以期能更大程度地發揮976 nm激光器抽運源的優勢。
 
    工業市場對高功率光纖激光器越來越高的要求,激發了增益光纖的更多研究。長光華芯也在功率提升方面有所研究和突破,其9XX nm產品在市場上憑借“快速”、“完全自主”的優勢,經過不同生產時段不同批次的芯片驗證,其自主開發的高功率高亮度半導體激光器芯片功率最高已達30W;9XX nm 15W單管芯片已獲市場的廣泛認可;銷售交付的商用20W芯片,也已通過了嚴苛的高溫、高電流加速老化壽命評估,在室溫工作條件下,平均壽命時間超過30000h,遠超國外。
 
    在保證芯片穩定量產交付的過程,長光華芯沒有停下探索腳步,通過外延結構、腔面?;?、芯片設計等的關鍵技術和工藝的持續改進,不斷提高產品的性能指標和產品可靠性,“工藝和技術的改進,最重要的難點是保證產品的可靠性?!蓖蹩〔┦客嘎?,“驗證產品的可靠性需要投入大量時間和資金,從試樣到批量應用通常需要兩年,甚至更久。這是一個漫長的,對企業來說極具挑戰性的產品認證過程?!?/div>
 
    同時,與高功率光纖激光器相對的另一個市場信號,也引起了長光華芯的注意。
 
    由于光纖激光器激烈的市場競爭,應用逐年下降的固體激光器市場卻穩步上升,規模也在逐漸擴大。長光華芯瞄準這一趨勢,早已在該領域進行布局。
808 nm/880 nm光纖耦合??椴吠?/div>
 
    王俊博士介紹,長光華芯提供可作為固體納秒/皮秒激光器抽運源的808 nm/880 nm光纖耦合???,依托自主研發并實現量產的單管芯片,該產品輸出光斑能量為平頂分布,光纖芯徑200 μm-600 μm可選,其中880 nm??榭墑迪秩緦鰲?.5 nm波長鎖定,使得產品在不同的功率和工作電流下都能保持良好的輸出波長穩定性,在市場上具備競爭優勢?!敖酉呂?,我們將大力推廣8xx 系列產品,近期銷售額也會在這個方面有所提高?!蓖蹩〔┦客嘎?。
 
布局二:VSCEL產線將大量投產
    VCSEL因iPhone而火,雖受iPhone訂單下降有所影響,卻讓人們看到了未來傳感領域的新興應用:3D成像、AR/VR、無人駕駛以及照明等,巨大的市場潛力吸引著國內企業紛紛入局。
 
 
    據王俊博士介紹,在VCSEL全產線國產化方面,長光華芯走在市場前列,這與其早期在半導體激光器芯片工藝布局密不可分。
 
 
    “基于VCSEL和半導體激光器有著異曲同工的工藝技術,甚至還要容易,只要對VCSEL的生產要求稍加改動,便可直接在半導體激光器的產線上復制出一套完全適合VCSEL的工藝流程,加上全球6寸工藝線非常少,這對長光華芯來說是一個很好的機遇。
VCSEL激光芯片與976 nm芯片的晶元外延片生長工藝十分接近,在早期針對科研市場的時候,長光華芯就已攻克了對外延均勻性、穩定性精準控制的難題,確保整個晶元里所有的小芯片都是合格的、完全一致的。當這一技術成果運用到VCSEL生產上,也就確保了VCSEL發光陣列的可靠性?!蓖醪┦科母兇院?。
 
在嚴峻的市場形勢下打造半導體芯片“國家隊”
 
    近年來,工業光纖激光器市場發展迅猛。國內中低功率光纖激光器市場競爭激烈,國產化替代日漸深入,已全面進入價格競爭階段,控制成本成為光纖激光器廠商參與市場競爭的重要手段。作為光纖激光器中的重要部件,半導體激光器抽運源自然成為企業成本壓力轉嫁的選擇點。
 
    據王俊博士介紹,有些國內企業為了降低生產成本,將壓力轉移到芯片上。在不影響整體應用效果的情況下,減少芯片數量,必定需要提高單個芯片的功率等性能,這就對單個芯片提出了更高的要求。但是影響芯片性能的因素是多方面的,例如提高芯片的輸出功率,其散熱、封裝等因素,需要綜合考慮?!八淙徽飪梢栽鑾抗詰拇蔥露?,但也加大了穩定性等方面的風險系數。同行應保持理性和謹慎,穩步發展?!?/div>
 
王俊博士認為:
1)想要推動芯片國產化必須先創新,沒有核心技術的支撐,即使面對國內市場對高端半導體激光外延材料的迫切需求也是望洋興嘆。
2)要理性看待“價格戰”,從配套技術、生產來降低成本,保證整個產品質量和供應鏈的合理發展;
3)借助資本的力量擴充產品線的產能,從而來推動各個項目的發展。
 
未來5~10年,在“一平臺,一支點,橫向擴展,縱向延伸”戰略布局的發展下,長光華芯將努力在高能激光、激光雷達和光通訊領域成為中國“激光芯”,代表國家參與全球競爭,在推動芯片國產化上繼續貢獻自己的力量。
 
延伸閱讀
“一個支點”是公司已經具備的高功率半導體激光芯片的優勢,高功率半導體激光芯片及光纖耦合??櫚牟芾┏?。這是長光華芯生存的根本和基礎。
 
“一個平臺”是指蘇州半導體激光創新研究院的建立,建設專業的半導體激光器成果孵化和產業化平臺。一流的研發平臺,保持長光華芯的研發實力和可持續發展。
 
“橫向擴展”指積極進入以VCSEL為代表的激光雷達芯片和光通訊芯片。依靠高功率半導體激光芯片技術平臺,可向與其擁有類同的工藝鏈條的VCSEL芯片、高速通信芯片、激光顯示芯片、激光照明芯片等方向快速延伸,進一步提升長光華芯多產線、多維度發展。
 
“縱向延伸”是利用公司高功率半導體激光芯片優勢,延伸提供激光系統服務終端用戶。主要是基于自主研發的高可靠性激光芯片,進一步實現高功率半導體激光器的封裝、??榛跋低郴?。

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