【中國(guó)科學(xué)報(bào)】光電子技術(shù)的“破繭”之路

  ICC訊 近日，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所(以下簡(jiǎn)稱(chēng)半導(dǎo)體所)“半導(dǎo)體光電子器件及集成技術(shù)”入選了中科院“率先行動(dòng)”計(jì)劃第一階段重大成果及標(biāo)志性進(jìn)展。

  作為國(guó)家信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)技術(shù)之一，光電子技術(shù)在寬帶互聯(lián)網(wǎng)、高性能計(jì)算、智能機(jī)器人、先進(jìn)制造和智慧城市等多個(gè)領(lǐng)域起到關(guān)鍵性支撐作用。它也因此成為了衡量一個(gè)國(guó)家綜合實(shí)力和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的重要標(biāo)志。

  認(rèn)準(zhǔn)了半導(dǎo)體光電子器件及集成技術(shù)是構(gòu)建未來(lái)信息社會(huì)的核心和基礎(chǔ)，半導(dǎo)體所在“十二五”和“十三五”期間，分別將其作為重點(diǎn)培育方向和重大突破方向，堅(jiān)持面向國(guó)家重大需求，突破半導(dǎo)體光電子器件及集成技術(shù)的瓶頸，研制出自主可控核心光電子器件，以實(shí)現(xiàn)其在光通信、光互連、光傳感等領(lǐng)域的典型應(yīng)用。

  在限制中突破

  新一代信息技術(shù)、機(jī)器人、航空航天裝備、新能源汽車(chē)、新材料、生物醫(yī)藥及高性能醫(yī)療器械等，這些中國(guó)制造重點(diǎn)領(lǐng)域都離不開(kāi)一項(xiàng)支撐技術(shù)——激光技術(shù)。

  而半導(dǎo)體激光器是全固態(tài)激光、光纖激光、氣體激光等的泵浦源，是核心器件，不可或缺、不可替代。但我國(guó)在激光芯片方面的發(fā)展現(xiàn)狀卻是低端芯片依賴(lài)進(jìn)口，高端芯片受制于人。

  1996年11月開(kāi)始實(shí)施的《瓦森納協(xié)定》明確了對(duì)中國(guó)禁運(yùn)的半導(dǎo)體激光芯片的清單，且隨著技術(shù)的演進(jìn)，每年清單中的器件類(lèi)型、器件指標(biāo)都在不停更新，旨在將中國(guó)的半導(dǎo)體激光器應(yīng)用技術(shù)限制在低端水平。

  2003年博士后研究工作結(jié)束后返回半導(dǎo)體所的鄭婉華，只想到了一條出路——突破高性能激光芯片技術(shù)，而且必須探索一條自主發(fā)展的道路，實(shí)現(xiàn)換道超車(chē)。

  當(dāng)年她向科技部提出建議，中國(guó)應(yīng)該創(chuàng)新發(fā)展光子晶體半導(dǎo)體激光器新原理與新技術(shù)，解決半導(dǎo)體激光面臨的功率密度低、光束質(zhì)量差的世界性難題。這一提議不僅獲得了“863”項(xiàng)目的支持，后期也得到了國(guó)家自然科學(xué)基金等新項(xiàng)目的幫助。鄭婉華團(tuán)隊(duì)在2006年率先在中國(guó)實(shí)現(xiàn)光子晶體激光的突破，中國(guó)也成為了當(dāng)時(shí)實(shí)現(xiàn)光子晶體激光激射的少數(shù)幾個(gè)國(guó)家之一。

  許多半導(dǎo)體人都有著和鄭婉華一樣的境遇和經(jīng)歷?！跋拗啤狈炊闪斯怆娮蛹夹g(shù)突破的磨刀石。

  同樣艱難迎戰(zhàn)的還有光通信芯片團(tuán)隊(duì)。國(guó)家寬帶網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的核心芯片，以前主要掌握在美國(guó)、日本、韓國(guó)、丹麥及英國(guó)等國(guó)的幾家企業(yè)手中，中國(guó)以進(jìn)口芯片封裝為主。面對(duì)國(guó)家光網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需求，半導(dǎo)體所經(jīng)過(guò)10多年的技術(shù)攻關(guān)，不僅解決了光分路器及AWG芯片設(shè)計(jì)及關(guān)鍵工藝問(wèn)題，還實(shí)現(xiàn)了光分路器及AWG的成果轉(zhuǎn)化。如今，光分路器芯片全球市場(chǎng)占有率達(dá)50%以上，AWG芯片實(shí)現(xiàn)海外市場(chǎng)突破，有力保障了我國(guó)寬帶網(wǎng)絡(luò)建設(shè)芯片的自主可控，促進(jìn)了我國(guó)硅基光子學(xué)器件的產(chǎn)業(yè)鏈完整性建設(shè)。

  度過(guò)漫長(zhǎng)的沉默期

  光電子技術(shù)，特別是芯片技術(shù)，一頭是研發(fā)，一頭是制造。要從這一頭走到那一頭，并且穩(wěn)穩(wěn)地落地，常常是孤獨(dú)又漫長(zhǎng)的。

  2010年，半導(dǎo)體所光通信芯片團(tuán)隊(duì)開(kāi)啟了成果轉(zhuǎn)化之路。10年中，他們需要解決損耗均勻性、芯片良率、工藝穩(wěn)定性、一致性及可靠性等一系列問(wèn)題?！斑@些問(wèn)題在半導(dǎo)體所基礎(chǔ)研究中并非重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題，而在產(chǎn)業(yè)化中卻是必須解決的?！卑雽?dǎo)體所研究員安俊明告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，為此，一款芯片需要30多次的設(shè)計(jì)優(yōu)化制版、上百次的實(shí)驗(yàn)流片驗(yàn)證，才能使芯片性能達(dá)到國(guó)際同類(lèi)芯片水平，與國(guó)外芯片同臺(tái)競(jìng)爭(zhēng)。

  他說(shuō)，團(tuán)隊(duì)還非常注重每個(gè)細(xì)節(jié)的芯片開(kāi)發(fā)方式?！氨热鏏WG芯片，結(jié)構(gòu)中分五大部分，還有上千條波導(dǎo)的結(jié)合，而涉及的性能參數(shù)，每個(gè)通道就有十多個(gè)，看似千頭萬(wàn)緒。一個(gè)參數(shù)的好壞受多方面的影響，如何準(zhǔn)確判斷問(wèn)題所在?團(tuán)隊(duì)人員會(huì)把芯片的每一部分分別進(jìn)行研究，不放過(guò)任何可能的影響因素，才使問(wèn)題一步步得到解決?！?

  為了加快研究進(jìn)度，團(tuán)隊(duì)想盡了各種辦法。安俊明說(shuō)：“我們經(jīng)常會(huì)有一些方案，大家會(huì)預(yù)測(cè)結(jié)果，比如我們?cè)?jīng)預(yù)測(cè)第一次流片的光分路器損耗，有的說(shuō)會(huì)達(dá)到10dB以下，有的說(shuō)剛流片，不會(huì)那么樂(lè)觀，這種打賭的方式也提升了轉(zhuǎn)化速度?！?

  鄭婉華也坦言，實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)成果向市場(chǎng)轉(zhuǎn)化的過(guò)程困難重重。

  在她看來(lái)，半導(dǎo)體激光芯片是一個(gè)高資金投入、高密集人才、高度設(shè)備依賴(lài)的技術(shù)，如果上述問(wèn)題得以克服，仍然面臨實(shí)驗(yàn)室樣品向批量化轉(zhuǎn)移中的諸多工程技術(shù)難題。“因?yàn)槲覀兿扔趪?guó)外開(kāi)展這種高端激光芯片的批量制造，因此解決這些難題沒(méi)有捷徑可走，必須投入時(shí)間、人力、物力，且需要全體人員不浮躁、沉下心，一個(gè)難題一個(gè)難題攻克?！?

  “半導(dǎo)體光電子技術(shù)領(lǐng)域的研究工作，目前都是硬骨頭工作，存在發(fā)表文章難、出成果難的問(wèn)題。在人才培養(yǎng)方面，由于很難獲得各種人才稱(chēng)號(hào)，我們只能以身作則，以國(guó)家需求為己任，留住人才?！编嵧袢A說(shuō)。

  壯大轉(zhuǎn)化隊(duì)伍

  半導(dǎo)體所除了以基礎(chǔ)前沿為引領(lǐng)來(lái)立身，同樣重要的是在全面服務(wù)國(guó)家重大需求和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮不可替代的基礎(chǔ)支撐作用。急國(guó)家和市場(chǎng)之所需一直是該研究所堅(jiān)持的科研文化。

  鄭婉華表示，得益于國(guó)家、中科院“率先行動(dòng)”計(jì)劃和研究所在技術(shù)轉(zhuǎn)移方面的優(yōu)厚政策，最大化地提升了年輕人的收入水平，從而逐漸吸引了一些有理想、有抱負(fù)的博士生留下來(lái)，投入到這項(xiàng)事業(yè)中。

  對(duì)科研人員而言，要投身轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化，最難轉(zhuǎn)變的是思維。如果思維轉(zhuǎn)變不過(guò)來(lái)，再好的政策也無(wú)法推動(dòng)。這就要求部分研究人員帶頭去從事成果轉(zhuǎn)化工作，從而形成示范效應(yīng)，讓更多人加入這一行列。

  目前，以半導(dǎo)體所為技術(shù)方的河南仕佳已成為國(guó)際上規(guī)模最大的光無(wú)源芯片生產(chǎn)企業(yè)。今年8月，河南仕佳正式在科創(chuàng)板上市，這也為半導(dǎo)體所人走在成果轉(zhuǎn)化的道路上加足了信心。

  值得一提的是，在這一過(guò)程中，半導(dǎo)體所已經(jīng)形成了一支從理論分析、設(shè)計(jì)優(yōu)化、工藝開(kāi)發(fā)到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，完整的、訓(xùn)練有素的、敢于啃硬骨頭的團(tuán)隊(duì)。也因此，半導(dǎo)體所承擔(dān)了中科院科技成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)(弘光專(zhuān)項(xiàng))“硅基二氧化硅陣列波導(dǎo)光柵芯片產(chǎn)業(yè)化”，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)數(shù)據(jù)中心及骨干網(wǎng)核心波分復(fù)用芯片的國(guó)產(chǎn)化，更加提升了科技成果轉(zhuǎn)化能力。

  提到團(tuán)隊(duì)培養(yǎng)的經(jīng)驗(yàn)，安俊明表示，“我們的特色是把研究生的培養(yǎng)放在產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化一線，使他們掌握的知識(shí)更接地氣，他們的許多經(jīng)驗(yàn)、教訓(xùn)來(lái)源于生產(chǎn)實(shí)踐，這在研究所是無(wú)法得到的。”如此培養(yǎng)的年輕人，在今后從事科研的過(guò)程中，也會(huì)更注重我國(guó)光電子產(chǎn)業(yè)鏈中的難點(diǎn)問(wèn)題、設(shè)計(jì)及開(kāi)發(fā)的實(shí)用性和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化的可行性，更注重解決國(guó)家急需的產(chǎn)業(yè)化難題。