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华芯半导体:掌握VCSEL核心制造技术,本土化团队扛3D传感VCSEL国产大旗
2018-07-29 08:39:13   来源:麦姆斯咨询   评论:0   点击:

华芯半导体是目前国内唯一一家能够自主完成垂直腔面发射激光器(VCSEL)和蓝光半导体激光器芯片外延及芯片工艺制造,并实现量产的高科技公司,据悉已从2017年11月份开始批量出货。在成功实现光通讯VCSEL量产后,公司瞄准了3D传感爆发的市场机遇。

采访对象:华芯半导体生产副总经理兼蓝光和绿光项目经理李军

采访背景:华芯半导体科技有限公司(以下简称:华芯半导体)成立于2015年12月,位于江苏省泰州市姜堰区。公司致力于光电芯片,特别是蓝绿光半导体激光芯片和光通讯半导体激光芯片(VCSEL、DFB、EML等)的研究、开发与产业化,服务从光纤通信、激光照明、激光显示到3D传感等各个领域。华芯半导体是目前国内唯一一家能够自主完成垂直腔面发射激光器(VCSEL)和蓝光半导体激光器芯片外延及芯片工艺制造,并实现量产的高科技公司,据悉已从2017年11月份开始批量出货。

华芯半导体堪称国内产学研合作项目的成功范例。在成功实现光通讯VCSEL量产后,公司瞄准了3D传感爆发的市场机遇,迅速切入消费类VCSEL的研发和量产。那么,这家由国内人才组建的IDM企业将如何扛起VCSEL国产化的大旗呢?敬请倾听麦姆斯咨询与华芯半导体生产副总经理兼蓝光和绿光项目经理李军先生的深入交流。

华芯半导体生产副总经理兼蓝光和绿光项目经理李军

华芯半导体生产副总经理兼蓝光和绿光项目经理李军

麦姆斯咨询:首先,请您讲述华芯半导体创业背景和里程碑事件吧!

李军:华芯半导体成立于2015年12月。2015年之前,创业团队完成了两项化合物半导体芯片的产业化项目,积累了比较丰富的产业化经验,并且在化合物半导体材料外延技术、芯片制程和大功率芯片封装技术上获得了很深厚的技术沉淀。2015年创业团队决定开展市场前景更加广阔的VCSEL芯片和蓝光半导体激光器项目,在泰州市和姜堰区地方政府以及投资人的大力支持下,于2015年12月成立华芯半导体科技有限公司;2016年春节后洁净车间开始施工;2016年7月MOCVD设备到厂;2016年11月设备基本完成安装调试;2017年1月,蓝光激光器激射出光,同月VCSEL芯片制程工艺完成调试;2017年6月,全自主开发的VCSEL开始提供客户测试;2017年11月,850nm 10G VCSEL芯片开始批量出货;2017年11月,940nm VCSEL项目立项;2018年6月,940nm VCSEL芯片在立项后7个月后就迅速进入批量出货阶段。由此可见,华芯半导体发展速度很快,一步一个脚印。

麦姆斯咨询:请您介绍下华芯半导体的VCSEL研发团队和专利情况,如核心成员、研发人数、学术成就和产业经验等。

李军:华芯半导体的VCSEL产品研发团队有30多人,其中具有博士学位或中高级职称的骨干成员超过10人,在器件结构设计、外延生长、芯片制程、封装测试、可靠性分析等方面都有行业内顶尖的领军人物。团队核心成员主要毕业于中国科学院,有多人先后承担973、863等国家重大项目以及自然科学基金等国家级科研项目。技术团队在过去十多年里先后开发出高功率半导体激光器、高倍聚光太阳能芯片、高功率VCSEL芯片等多项产品和技术。在产业化方面,技术团队先后创办了三家化合物半导体光电子器件的制造公司,并实际承担了化合物半导体工厂的设计和建设,具有独立建厂的丰富产业化经验。目前,公司拥有相关专利15项,其中发明专利12项,实用新型专利3项。

麦姆斯咨询:目前华芯半导体搭建了硬件平台,能否详细介绍下该平台情况?可以生产哪些产品?量产规模如何?

李军:华芯半导体具备完整的芯片设计、外延工艺、芯片制程、封装测试等半导体激光器研发和生产能力。目前,华芯半导体现有MOCVD设备3台,并且已经追加多台MOCVD的订单;配套的外延片测试设备10余台;芯片制程设备几十台;封装测试设备10余台。华芯半导体的设备均为国际主流的半导体激光器制造设备,能够完成VCSEL芯片和蓝绿光半导体激光器芯片研发和生产的全部工艺。在此平台上,我们成功开发出10G和25G 850nm光通讯VCSEL芯片、940nm VCSEL结构光和飞行时间(ToF)芯片、蓝光半导体激光器芯片,部分产品已经投入量产。目前,已建成年产光通讯VCSEL芯片50KK颗、3D传感芯片30KK颗、蓝绿光激光器芯片5KK颗的生产能力。

华芯半导体生产线

华芯半导体生产线

麦姆斯咨询:华芯半导体是目前国内一家能够自主完成VCSEL芯片外延及芯片工艺制造的企业,请您谈谈贵司在VCSEL生产方面遇到了哪些问题?又是如何解决的?

李军:首先,建设一家化合物半导体工厂,是一项非常烧钱的项目,不投入10多个亿,是不可能做出VCSEL芯片的。第二,在工厂建好之后,研发设计、工艺摸索、人员培训,也都需要大量经验积累,同样是烧钱的过程。华芯半导体已经度过了这个阶段,因此成为目前国内唯一一家能够自主完成VCSEL芯片外延及芯片工艺制造的企业。

VCSEL芯片的生产工序非常复杂,累计工序超过100道。在生产中遇到最多的问题是部分工艺的重复性和均匀性问题。无论是外延工艺,还是芯片制程工艺,都遇到过这样的问题。VCSEL的生产中,上述问题解决起来尤为复杂,这是因为芯片制程工艺中的重复性或均匀性问题可能是制程工艺本身的问题,也有可能由外延工艺引起的。因此,在分析问题的时候,必须将芯片制程工艺和外延工艺结合起来,而不能独立进行。我们团队充分发挥了在技术储备和人才配置上的优势,通过四个方面的工作,较好地解决了这些问题:(1)我们的核心技术人员在精通自己负责工艺的同时,都掌握1项以上的其它工艺,在出现问题时,能够无障碍沟通;(2)发现问题以后各个部门充分沟通、相互支持,用较短的时间对问题进行定位,并解决问题;(3)对部分设备进行改造,以提高工艺的稳定性和均匀性;(4)在芯片的设计中充分考虑生产平台的特点,对结构进行优化,提升工艺冗余度。

麦姆斯咨询:接下来,我们重点交流VCSEL外延工艺。VCSEL全结构有200多层薄膜,厚度为微米级,如何精准控制如此多层的外延工艺是决定器件性能好坏的关键因素,也是VCSEL最难以攻克的技术难题。您能分享华芯半导体在这方面的成功经验吗?

李军:外延工艺是VCSEL芯片生产中的核心,外延工艺的水平对芯片的性能有决定性的影响。我们可以很自豪地说:华芯半导体解决了VCSEL外延片的生产制造问题!目前我们也是国内唯一一家实现外延片自主量产的VCSEL供应商!

我们能够解决这个问题,主要的原因有两点。其一,普通的MOCVD设备要实现VCSEL外延片生产是极其困难的,因此我们对MOCVD设备进行了专门的改造,以适应VCSEL外延片对外延工艺的严格要求。其二,在外延工艺的调试中,结构设计、芯片制程等相关研发人员与外延工艺的研发人员密切协作,尤其芯片制程工艺为外延工艺的调试提供了大量的试验和数据支持。华芯半导体VCSEL外延片的顺利量产,不仅是我们高水平外延工艺的体现,更是整个团队彼此无缝对接合作的硕果。

麦姆斯咨询:华芯半导体在光通讯应用领域的VCSEL已经实现量产。您能介绍下光通讯应用领域的VCSEL产品系列、性能和主要客户吗?

李军:华芯半导体开发的应用于光通讯领域的VCSEL芯片从2017年11月开始批量出货。目前主要有10G的多系列产品,包括同面或异面电极、单管或列阵等不同形式的产品。在性能上完全不输进口产品,也可以针对客户的需要进行特殊定制。

从左往右依次为:10G 850nm VCSEL芯片LIV图、10G 850nm VCSEL芯片光谱图、10G 850nm VCSEL芯片眼图

从左往右依次为:10G 850nm VCSEL芯片LIV图、10G 850nm VCSEL芯片光谱图、10G 850nm VCSEL芯片眼图

麦姆斯咨询:相比应用于光通讯领域的VCSEL,应用于3D传感领域的VCSEL制造工艺相对简单。华芯半导体在光通讯VCSEL的量产经验对进入3D传感VCSEL领域有哪些帮助?

李军:光通讯VCSEL对传输速率、可靠性等方面的要求比较高。为达到这些要求,在生产制造过程中必须对材料的外延生长和芯片制程中的部分关键工艺进行严格控制,而这些技术都是VCSEL芯片制造技术中的核心部分。因此,在做好光通讯领域的VCSEL后,这些技术很容易就可以直接应用到3D传感领域的VCSEL芯片制造。从结果看,我们在光通讯VCSEL的量产经验,使得我们较快地解决了应用于3D传感领域的VCSEL芯片的可靠性问题和质量控制问题,大大加快了我们产品开发的周期。

麦姆斯咨询:VCSEL已经是3D传感产业界和投资界的热门话题,除了国际巨头,国内众多初创企业也开始崭露头角,竞争异常激烈。华芯半导体如何看待目前的竞争态势?请您分析下华芯半导体的核心竞争力!

李军:VCSEL在消费电子中的应用,使得其市场规模比以前增加了一个数量级,巨大的市场空间也促使国内诞生了很多的初创企业。但从目前的情况看,国内真正具备VCSEL芯片设计、外延材料生产、芯片制程和封装测试的公司寥寥无几。VCSEL芯片的核心技术在于外延生长和芯片制程,只有具备这些核心技术的公司,才能更快地响应消费电子行业对芯片不断升级的需求。因此,要在激烈的市场竞争中站稳脚跟,最根本的还是要加强自己的核心技术能力建设。

华芯半导体是国内目前唯一能实现结构设计、外延生长、芯片制程和封装测试等完整VCSEL芯片制造工艺的公司。我们的核心竞争力体现在两方面:(1)可全自主开发生产具有竞争力的VCSEL芯片和边发射激光器(EEL)芯片,从而能够迅速和低成本的满足客户的需求;(2)我们有封装测试产线,可以为客户提供定制封装测试方案的服务,从而帮助客户更好地用好芯片。我们有这样一个案例,客户在华芯半导体定制结构光VCSEL芯片,从客户提供发光孔的坐标位置,到我们交付首批样品、共同制定测试方案,前后仅用了不到40天的时间,并且客户在验证中取得了非常好的效果。这样的响应速度和定制服务,是国外供应商和依靠代工的国内供应商都无法企及的,这就是我们的核心竞争力给我们带来的竞争优势。

麦姆斯咨询:目前,华芯半导体已经开发出的3D传感VCSEL产品有哪些系列?性能和良率如何?量产计划是怎么安排的?

李军:目前,华芯半导体已经开发出来的3D传感VCSEL产品主要有940nm 1W ToF芯片和940nm 2W ToF芯片,并根据客户的要求定制了一些VCSEL结构光芯片。产品性能达到市场主流产品指标,能够满足消费电子行业对芯片的各项指标要求。目前,我们可以为客户定制发光孔中心最小间距仅23微米的结构光阵列芯片,所有高功率阵列芯片的光电效率都可以稳定在35%左右。良率方面,通过对良率的有效控制,我们的销售价格可以控制在进口芯片的80%左右。未来3年内,我们将通过良率的持续提升,实现芯片价格每年下降,为我们的客户持续提供高质量、低成本的VCSEL芯片。目前我们已经批量出货850nm光通讯芯片,3D传感芯片目前具备月产2KK的能力,到今年年底将达到月产4KK。未来3年内,根据市场情况,我们还将继续扩大产能。

940nm 1W ToF芯片测试图

940nm 1W ToF芯片测试图

940nm 1W ToF芯片光谱图

940nm 1W ToF芯片光谱图

麦姆斯咨询:在3D传感领域,华芯半导体生产的VCSEL可以应用在结构光方案和ToF(飞行时间法)方案。您能从技术角度为大家普及下两种方案对VCSEL需求的异同吗?

李军:目前主流的3D传感领域,无论是结构光方案和ToF方案,采用的发光芯片都是VCSEL阵列。这些阵列芯片都是由若干个小VCSEL发光单元组成,因此在制造工艺上基本类似。两者最大的不同在于,结构光VCSEL芯片中,其发光孔的位置是由算法决定的,一般为随机分布;而ToF芯片中,其发光孔一般为规则分布。因此,结构光芯片都是客户定制的,而ToF芯片可以采用通用规格。

华芯半导体940nm 2W ToF芯片

华芯半导体940nm 2W ToF芯片

华芯半导体结构光芯片

华芯半导体结构光芯片(因客户定制原因,大部分区域做模糊处理)

麦姆斯咨询:您认为国内3D传感产业链发展是否成熟?华芯半导体和产业链上下游企业有哪些合作?

李军:3D传感产业链主要由视觉方案商、VCSEL芯片、光学衍射元件(DOE)、模组封装、终端应用等构成。今年,有多家国内手机终端公司推出了集成3D传感功能的手机,其中部分3D传感的方案就是由国内的视觉方案公司提供。总的来说,整个产业正处在高速成长的阶段。关键元器件如VCSEL芯片和DOE,国内的相关行业发展也非常迅速,目前都能根据客户的要求提供相应的产品。华芯半导体作为国内目前唯一具有VCSEL芯片结构设计、外延生产、芯片制程和封装测试全生产线的公司,与国内多家客户展开了合作。在ToF芯片部分,我们一方面向多家客户提供了标准的芯片,同时也根据客户的要求对芯片进行定制。在结构光芯片部分,我们根据客户的要求定制了多款产品,在实际测试中取得了非常好的效果。另外,我们为多家客户提供了或与多家客户共同设计了封装测试方案,并对芯片进行了详细的性能测试,为芯片的性能和应用优化提供一些建议。

麦姆斯咨询:华芯半导体是否计划布局应用于汽车激光雷达的VCSEL?如果有,计划何时推出?

李军:汽车激光雷达上的激光发射芯片主要有两大类,分别是VCSEL芯片和边发射激光器(EEL)芯片,这两种芯片我们都在布局。目前,我们正在和客户合作,对VCSEL进行优化,以适应激光雷达上的一些特殊要求,预计在今年年底会推出相应的产品。同时,我们会在2019年启动应用于激光雷达的边发射激光器项目,预计2020年第一季度为客户提供边发射激光器样品。我们希望,在激光雷达产品成熟后,可以给客户提供全方位的光源解决方案。

麦姆斯咨询:请您谈谈华芯半导体的企业愿景,谢谢!

李军:华芯半导体科技有限公司的愿景是做一家综合性的化合物半导体激光(光电)芯片制造商,满足国内外用户对各类化合物半导体激光(光电)芯片的需求。

麦姆斯咨询:华芯半导体将出席9月10日在上海举办的『第二十四届“微言大义”研讨会:3D视觉技术及应用』,并在同期展会“2018年中国(上海)传感器技术与应用展览会”E013展位进行实物展示。届时贵司将带来哪些产品展示?将在演讲中分享哪些方面的心得呢?

李军:非常荣幸我们将参加“2018年中国(上海)传感器技术与应用展览会”。展会上,我们将向观众展示各种VCSEL芯片,主要包括通讯类的850nm VCSEL芯片、850nm多种规格的ToF芯片、940nm多种规格的ToF芯片、940nm多种规格的结构光芯片。我们还将展示外延片、晶圆等VCSEL半成品,同时向观众展示VCSEL制造的主要过程。在第二十四届『“微言大义”研讨会:3D视觉技术及应用』上,我们将和各位朋友分享VCSEL芯片制造中的技术,以及如何针对客户的应用环境对VCSEL芯片进行优化。

延伸阅读:

《VCSEL技术、产业和市场趋势》

《3D成像和传感-2018版》

《苹果iPhone X的ToF接近传感器和泛光照明器》

《苹果iPhone X红外点阵投影器》

《苹果iPhone X近红外3D摄像头传感器》

《英特尔RealSense主动红外立体深度摄像头:D435》

《英特尔RealSense 3D摄像头与意法半导体红外激光发射器》

《汽车和工业应用的激光雷达-2018版》

《汽车激光雷达专利全景分析-2018版》

《自动驾驶汽车传感器-2018版》

《汽车MEMS和传感器市场及技术趋势-2017版》

《大陆集团最先进的ADAS激光雷达:SRL1》

《LeddarTech固态激光雷达(LiDAR)模组:LeddarVu》

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