专访国产通信VCSEL领头羊华芯半导体：砥砺八载结硕果

9/05/2023，光纤在线讯，华芯半导体成立于2015年，致力于尖端化合物半导体光电子芯片及其应用产品的研究、开发与生产。公司拥有国际先进的外延金属有机物化学气相沉积(MOCVD)设备、芯片工艺设备和封装设备等，主要产品为高亮度LED、蓝绿光半导体激光管、垂直腔面发射(VCSEL)光子芯片以及高亮度半导体激光芯片等。

光纤在线一直密切关注华芯半导体的发展，八年来华芯半导体可谓成果丰硕，先后突破了25G VCSEL，56G PAM4 VCSEL芯片及阵列产品，并广泛应用于25G、100G、200G、400G、800G光模块产品，率先突破大客户的批量供应；此外，于近日在珠海建立晶圆代工厂，将光通信产业的经验再拓展到光传感、激光雷达等领域。随着新一轮生成式人工智能应用的普及，推通数通光互联产品迎来新一轮的增长期。近日，光纤在线有幸与华芯半导体的技术总监尧舜博士有了一次深入的交流。


光纤在线Ria：华芯半导体是国内唯一一家以IDM模式实现光通信VCSEL大规模出货的芯片制造商。作为高精密的芯片制造工艺，团队本身就是一个非常重要的壁垒，华芯半导体的团队情况如何？

尧博士：是的，对于华芯半导体这样一个IDM模式制造高端光通信芯片的企业而言，企业经营团队要求非常高。就技术团队而言，华芯经过8年的引进、吸收、积累、沉淀、磨合，形成了一个“顶天立地”的技术团队。所谓顶天，我们团队在设计、外延、芯片制程、可靠性分析等构成高速VCSEL关键环节方面都由国际最顶尖的标杆企业一线工作经验超过20年以上的资深专家亲自现场操刀。他们亲历了从1G、10G、25G、56G PAM4、112G PAM4的技术演变，对每一次技术升级的know how了如指掌。同时，我们还有来自国际最顶尖的砷化镓代工厂的量产团队。他们的特点是，在技术磨合期过了以后，可以将量产做到最完美。可以毫不夸张的说，华芯在高速VCSEL芯片的各个制造环节达到了顶天的水平。

芯片国产化的另外一个最重要的问题是，引进的境外先进的技术如何高效、切实的落地生根？华芯团队中有多位在国内顶尖科研机构从事VCSEL开发超过20年的博士。他们既有VCSEL的理论基础，又有制造经验，有效地承接了国外专家的顶尖技术和量产经验，并将他们与华芯一线实操工程师有机联系在了一起，成为了技术团队金子塔中不可或缺的中坚力量。另外，华芯还特别重视本土工程师的培养。华芯花了8年时间，从无到有培养了一个本土化工程师和技术员团队，为国产化芯片的稳定量产提供了坚实的技术支撑和立足点，使华芯的技术既能够“顶天”到最高速率的VCSEL开发，又能够真正做到全国产化的稳定量产。正是在这个多年逐渐形成的“顶天立地”的技术团队密切协作之下，华芯从1G开始，历经10G，一步一个脚印，最终在博采众家之长的基础上，研发了与华芯设备高度关联的外延、芯片制程与可靠性测试技术，真正量产了全国产的25G 和56G PAM4 VCSEL芯片，甚至在某些关键指标良率达到几乎百分之百，超过国际同行。同时，华芯还为国内众多同行贡献了众多本土工程师。国内应该有三分之一以上的VCSEL公司有华芯的工程技术人员支撑着这些公司砥砺前行。

光纤在线Ria：您如何看待生成式人工智能对VCSEL市场的影响？需求，性能。

尧博士：如果我们把时间拉长了来看， 即使放在整个光通信行业的发展历史来看， AIGC不一定具备颠覆性，但作为一个现象级的存在，它带来的技术变革对AIGC相关的数字产业生态的影响是深远的，包括光通信在内。作为AIGC产业链环节中最上游的算力基础、算力设施和数据服务，算力层是AIGC发展不可忽略的资源引擎。海量的训推算力需求让本就供需不平衡的当下的算力产业结构面对海量的训推算力需求时凸显出这种供需上的不平衡。因AIGC对底层算力的训练和推理需求而爆发的数据洪流，对基础设施的运算、网络、存储以及安全管理的处理效能提出了更高的要求。
VCSEL技术作为光通信行业上游激光器的一个细分领域，将会直接受益于AIGC应用带来的对高速高质的光连接的海量需求。我们也注意到，AIGC话题从去年年底出现，乃至到今天依然持续霸榜，成为业内关注焦点。LC也连续更新了它对高速光模块，尤其是400G/800G乃至1.6T模块需求在接下来的预期。 我们对VCSEL技术在这一轮AI驱动带来的爆发式增长感到乐观，并为此做好了准备。

光纤在线Ria:华芯近日在珠海设立了6英寸的晶圆代工，旨在进入激光雷达，传感市场，但像激光雷达市场往往需求车规级认证，您认为会存在存在哪些难点和挑战？
尧博士：华芯半导体目前的芯片是工业级、系统级的应用，其对性能和可靠性的要求远非消费类产品的可比拟的。我们第一个客户从开始验证到批量出货共花了三年时间，期间所有的测试和验厂都是一次性过的。这是国内光通信VCSEL首次完整走完整个流程，且实现大批量出货。目前，我们的芯片已经通过国内几乎所有光通信设备商的验证、几乎所有的互联网终端客户的验证、大部分国内排名全球TOP10的光模块厂商的验证。而且，以上所有验证测试都是一次性通过的。这应该是国内绝无仅有的。华芯半导体之所以能够一次性通过这些头部客户的验证，是因为在国内外专家的指导下，华芯半导体建立了一个严格、表里如一的质量体系。华芯半导体非常欢迎客户验厂。我们把每一次客户验厂都当作华芯质量体系的学习提升的过程。华芯建立了有自己特色的公司质量文化。

华芯在珠海设立6英寸晶圆代工线，根据国内外供应链的现状，只做代工产品。而且，市场有代工的产品，华芯泰州公司就不再涉足，比如激光雷达、传感等。当然，通过车规级认证将会面临着很多难点和挑战，毕竟产品所面对的应用场景不一样。华芯珠海公司将传承华芯泰州公司的质量文化，以体系建设为先导，全面推进公司的文化建设。我相信，有了华芯泰州光通信认证的基础，只要保持和华芯泰州公司一致的质量标准，华芯珠海公司通过车规级认证只是时间的问题。

光纤在线Ria：您之前提到过，越高性能的VCSEL可靠性难度也增加，华芯半导体素来以可靠性为重点突破，又是怎么克服这样的困难？（或者说华芯半导体可靠性控制的独特优势 ）

尧博士：的确是这样的，就目前而言，业界商用化的高速光通VCSEL都是采用氧化限制层型VCSEL结构。在这个结构框架下，从10G到25G NRZ再到后边的56G PAM4、112G PAM4，每一次速率的提升都伴随着芯片量子阱内建应力和电流密度的提高，同时采用越来越复杂的结构或工艺优化调整芯片中氧化层相关的寄生参数。换句话说，为了获得速率的提升，一方面我们利用电和应力等手段不断增加对半导体材料的性能压榨，同时又在利用光刻、氧化等工艺手段对半导体晶体材料内部进行越来越复杂的手术。可以说，在同等制造能力（包括外延水平、芯片制程能力）情况下，随着芯片速率的增加，芯片可靠性难度的增加可以说是“肉眼可见的”。

正是基于这个认识，华芯与全球其它为数不多在高速VCSEL芯片制造获得成功的芯片大厂一样，坚持采用IDM模式开发和制造光通VCSEL芯片。芯片性能和可靠性首先取决于外延结构和质量。掌握了外延这一化合物半导体芯片的核心技术并不断优化以获得高质量的半导体芯片材料和高性能的芯片内部结构，为后续成品高速VCSEL芯片制造提供了充满活力的、健康的身板。接下来芯片制程技术的优化及与外延工艺的匹配则是如何完美体现成品芯片性能不可或缺的一步。得益于IDM模式，我们清楚我们自己设计、制造的外延材料内部每一个细节结构和特点，进而利用光刻、氧化等半导体工艺手段对其进行微观精细改造，最大程度上在激活半导体材料内部机能的同时又保证了其“身体健康”，让我们的芯片性能和可靠性同时达标。

华芯半导体自有完备的外延和芯片产线，以IDM模式制造高速光通VCSEL芯片，既解决了性能和可靠性双达标这一困扰了国内行业多年的难题 ，又从制造角度实现了真正的国产化，解决了“卡脖子”问题。实现这一质的飞跃，关键在于技术基础的积累和踏踏实实的制造工艺窗口确认、稳定和扩大。有别于硅基半导体产业，化合物半导体光电子芯片没有固定的标准生产线，特色工艺和自制设备、定制设备占比较大，因此无法通过简单的copy全套工艺来获得制造成功。这也是尽管华芯专家团队具备全套的经验和技能，仍然与其它VCSEL标杆性世界大厂一样，带着华芯本土国队老老实实从1G、10G开始从头做起的原因。从最简单的产品开始摸索获得产线配置的工艺边界和极限，并在此基础上建立并稳定自己的外延、芯片及辅助产线相关工艺，站稳低速平台后，逐渐加入新的技术元素，完成从低速向高速切换跨入25G平台，并通过大规模的生产和出货，实现产线工艺窗口的最大化和稳定性，在此基础上才进一步向56G及更高速器件发展。正所谓万丈高楼平地起，华芯用了7年时间将专家团队的经验成功转移到产线制造中，完成了从1G到56G PAM4的一步一个台阶的攀登，我们在每个台阶上都刻意停留，夯实基础，扩大工艺窗口，明确边界，稳定产出，为跨入下一个台阶做好了充分的准备。这也是为什么华芯每一次新一代产品的出现都是水到渠成的原因。其实很多工作都在上一代产品稳定出货期间就已经完成。换个角度讲，如果前一代产品没有完成应该完成的工作，则不可能出现下一代产品。可以说，芯片制造本身是最笨的工作。它没有大家喜闻乐见的弯道超车、跨越式发展，因为制造中的一切数据变化都来源于切实的制造工艺改变，而不仅仅是设计工作中的数据修改，只有踏踏实实的工艺数据积累和踩坑及爬坑过程。华芯只是在高水平专家的带领下做到主动踩坑准，摸边界快，爬坑快，再加上积累时间长。这就是我们的独特优势。有一组数据可以说明其中的艰辛：华芯经历了近万片的流片、多达几百个DOE组合，才完成了现有的工艺迭代，摸索出现有的工艺窗口，确定现有的工艺边界，从而实现了在尽最大限度压榨芯片性能的同时，将可靠性推到了非常大的冗余边界，奠定了华芯芯片在国内的好名声。只有这样做，我们的工艺窗口才能开得更大、更稳定，从而在更高的速率上实现性能与可靠性双达标的才水到渠成。而这些工作不是委托代工厂可以做到的。

一直以来，光通信VCSEL的产业链很明晰，因为光通信VCSEL理论较为成熟，芯片性能设计相对容易，而成功的关键在于制造工艺，以及如何能够高水平重复稳定实现芯片的性能和可靠性双达标。所以，博通、相干、索尼等国际光通信大厂都保持着IDM模式，把工艺窂窂把握在自己手上，不交给代工厂。光通信VCSEL已经商用20多年了，生态一直如此。如果代工能够解决性能和可靠性问题，也不会等到2023年。如果代工厂把这个问题解决了，则博通、相干等公司一定会退出这个市场。因为代工厂会了，全世界都会了。代工厂不会只给某个特定公司代工，所有人都可以去找该代工厂代工，因此，行业的技术壁垒也就没有了，就像消费级的VCSEL一样。这是一个很简单的商业逻辑。


光纤在线Ria：市场方面，当前华芯半体25G/56G的VCSEL出货量如何？112G推出的时间点会在什么时候？
尧博士：截止到2023年8月，华芯25G系列VCSEL累计出货600+万通道；去年下半年开始56G PAM4系列VCSEL也通过国内多个头部客户认证，目前已出货超过了10万通道，并在不断加速；

112G PAM4 VCSEL是与生成式AI爆发配套的“明星”。华芯半导体在现有成功大批量量产25G和56G PAM4 VCSEL基础上，通过新技术的引入，实现了迭代开发。作为国产IDM芯片制造企业，我们的特点是新产品开发技术方案必须兼顾可靠性和性能双达标，同时开发和量产共享同一个制造平台。该特点决定了我们从送样样品到量产芯片过渡非常迅速，不会出现因对高速VCSEL结构内在机理和工艺平台缺乏足够认识而造成的近两年芯片行业内广泛诟病的，性能样品通过后可靠性验证无法通过的问题，或样品验证通过而无法量产供货的问题。另一方面，经过近几年的量产出货，国内头部客户对华芯的全国产VCSEL芯片逐步建立了信心。这非常不容易。因此，我们对于新一代样品的送样非常慎重。我们希望和之前的25G和56G PAM4 VCSEL芯片一样，在众多头部客户处可靠性和性能测试一次性通过。因此，尽管目前国内多个大客户对我们112G PAM4 VCSEL芯片阶段性样品需求迫切，我们仍然保持定力，不跟风而动。我们做法和之前的25G和56G PAM4一样，送样的版本即是量产的版本。我们将在市场时机均成熟的时候，我们再正式发布和推出华芯的112G PAM4量产版本芯片样品。