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半导体行业知识专题五：先进封装关键技术——Hybrid Bonding 半导体行业知识专题六：半导体制造设备深度解析及国产化发展（万字长文） | 半导体行业知识专题八：哈工大光源突破意味着什么？光刻机的核心是什么？ |
光模块及光芯片技术行业深度报告摘要：由于半导体行业体系庞大，理论知识繁杂，我们将通过多个期次和专题进行全面整理讲解。本专题主要从光模块及光芯片深度报告进行讲解，让大家更准确和全面的认识半导体地整个行业体系。我们分为半导体知识、半导体“芯”闻几个模块，欢迎各位大佬交流学习。 一、光模块通过光芯片实现光电转换 1、光模块工作原理 光模块的核心作用是实现光信号与电信号的相互转换。发射端将设备传来的电信 号经编码调制后，驱动激光器转换为调制光信号送入光纤；光信号在光纤中低损 耗传输后，接收端通过光电二极管将其还原为电信号，再经放大、滤波处理后输 出给对端设备，从而实现数据传输。 2、光模块的光-电芯片协同架构 光模块主要分为传统光模块与硅光模块两类。1）传统光模块采用分立器件方案， 由TOSA、ROSA、电芯片及相关电路构成，光芯片集成于TOSA与ROSA内 部，完成光电转换功能；2）硅光模块取消传统分立的TOSA/ROSA组件，采用 外置CW光源配合高集成度硅光芯片，与电芯片协同实现光信号的收发与处理。 光芯片在光模块中承担光电转换的核心功能，按照集成方式可分为分立式光芯片 和集成式光芯片（如硅光芯片）两大类： （1）在传统光模块中，光芯片以分立形式存在，可进一步分为有源光芯片与无 源光芯片： 有源光芯片可分为激光器（LaserChip）和探测器（PD）： 激光器：是光发射核心，为TOSA的主体部件，直接决定光模块传输性能。 主流型号包括VCSEL、DFB、EML等，核心功能是完成“电变光”转换； 探测器：是光接收核心，为ROSA的主体部件，常见类型有APD、PIN等 光探测二极管，负责“光变电”逆转换。 无源光芯片还可以分为PLC芯片（光分路器）和AWG芯片（阵列波导光栅芯 片）： PLC芯片：基于硅基或二氧化硅材料，通过光刻工艺在芯片表面形成波导结 构，实现光信号的分路、合路功能； AWG芯片：利用多通道波导的干涉原理，对不同波长的光信号进行复用/ 解复用，实现波分复用（WDM）功能。 （2）在硅光模块中，硅光芯片可集成除激光器外的其他器件： 硅光芯片：以硅为核心材料，将调制器、滤波器、波导、耦合器等多种器件 集成于同一芯片。但由于硅材料发光效率低，难以实现激光输出，因此需依 赖III-V 族材料提供CW外置光源。 电芯片在光模块中主要负责信号的传输、补偿、放大与处理，核心组件包括DSP、 Driver 与 TIA。1）DSP实现信号补偿、时钟恢复、编码与均衡等功能，修正传 输过程中的失真与延迟；2）Driver用于驱动激光器芯片及相关光发射器件，提 升信号驱动能力；3）TIA将探测器输出的微弱电信号进行前置放大，并通过后 续处理抑制噪声、改善信号质量。 3、光模块可采用三类光源方案 激光器种类与调制方式决定光模块的性能。当前光模块主流方案可分为VCSEL、 EML、硅光三类，其中： VCSEL方案主要适配短距离高速互联场景，普遍采用GaAs衬底，具备成本低、 响应速度快的优势，据LightCounting统计，其在当前光模块方案中占比约15%。 EML方案主要适配中长距离信号传输场景，普遍采用InP衬底，凭借性能稳定 的特点占据中长距方案的主流应用，据LightCounting统计，其在当前光模块方 案中占比30%-40%。 硅光方案以CW光源为核心激光器，具备成本低、功耗小的优势，据LightCounting 统计，其在当前光模块方案中占比约40%-50%；随着800G及更高速率光模块 对功耗与散热要求持续提升，硅光技术渗透率有望进一步提高。 （1）VCSEL方案适用于短距离传输场景 VCSEL采用直接调制，响应速度快，同时成本和功耗较低。VCSEL采用直接调 制（DML）技术，通过直接改变注入电流实现光信号调制，无需外置调制器，兼具响应速度快、成本低廉、工艺成熟及良率较高的优点。 VCSEL方案通常适配短距离传输（SR）场景。VCSEL采用垂直出光结构，区 别于边发射激光器的侧面出光方式，具有输出光斑对称、发散角小的特点，与多 模光纤耦合效率极高。但受限于自身输出功率较低，长距离传输时信号损耗与横 模色散较为明显，因此VCSEL主要适用于短距离（SR）传输场景，常用于数据 中心内部、机柜间以及服务器与交换机之间的短距高速连接。 （2）EML方案适用于高速长距离传输场景 目前EML已取代DFB成为高速长距离传输场景的首选方案。DFB采用直接调 制方式，啁啾较高、对色散的容忍度较差，传输距离与速率均受到明显限制，在 100G 及以上速率场景中无法满足要求，因此高速场景需采用EML方案。从结构 上看，EML是将DFB与电吸收调制器（EAM）单片集成在同一InP衬底上，相 较于直接调制的DFB，EML通过增加EAM实现外调制，使出光与调制过程实现 物理分离，性能优势突出且技术壁垒较高： 低啁啾效应：EML调制与出光功能实现物理分离，通过电场直接调控光吸 收边界，大幅减弱了直接调制引发的波长漂移问题； 调制速率高：EML突破了直接调制激光器的驰豫振荡限制，采用PAM4调 制格式时速率较高，可轻松适配100G、200G等高速传输需求； 传输距离长：EML激光器输出的信号能显著抵抗光纤色散与衰减影响，无 中继传输距离远超直接调制激光器，可满足长距离链路的信号传输需求； 技术壁垒高：EML通过多层外延生长集成DFB与EAM，工艺复杂、良率低， 且EAM对温度敏感，需搭配TEC高精度温控才能稳定工作。 目前，EML方案广泛应用于800G/1.6TER/FR/LR、国家骨干网、远距离高速 传输等核心场景。 （3）硅光方案适用于高速率传输场景 硅光方案用CWDFB作为外置光源，适用于高速传输场景。硅光方案以硅基衬 底为材料，依托成熟CMOS工艺集成探测器、调制器、波导等器件，并采用CW 光源作为外置光源。CW光源即连续波激光器（ContinuousWaveLaser），其 利用DFB结构产生稳定单频光，再耦合至硅基光电子芯片，由马赫-曾德调制器 （MZM）实现信号调制，从而实现高速率数据传输。 与传统EML方案相比，硅光方案具备成本低、功耗低、技术壁垒较低的显著优 势。1）在成本层面， 单颗高功率CW光源可借助分光技术同时驱动多个信号通 道，从根源上摊薄光源环节核心成本，例如Intel400G硅光方案仅通过1颗激光 器即可稳定驱动4个通道；2）在技术层面， CW光源无需集成调制器，技术壁 垒相对EML更低、工艺更简单，可有效满足下游光模块量产效率需求；3）在功 耗层面， 硅光方案电光转换效率更高、集成度更优、驱动结构更简化，高速率下 功耗显著低于EML，可避免速率提升带来的功耗、信号及散热压力。 与单片集成的EML相比，外置CW光源最大的缺陷在于耦合插损。由于光需要 从外置CW光源通过精密耦合进入硅光芯片，这个过程会产生较大的耦合插损。 为了补偿这部分损耗并保证调制器正常工作，往往需要配置大功率激光器。 未来，硅光技术有望结合CPO进一步降本降能耗。CPO（光电共封装）将光引 擎和交换芯片共同封装，极大地缩短了信号传输距离，从而在实现高带宽互联的 同时有效降低了功耗。硅光技术以其高集成度、低成本的优势，有望成为CPO 的主要发展路径。 二、光芯片制造流程及行业壁垒 1、光芯片制造流程涉及四大环节 光芯片生产流程极为复杂，核心涵盖衬底制备、外延生长、晶圆工艺制造、加工 与测试四大环节，其中外延与光栅制作是技术壁垒最高、对产品性能起决定性作 用的关键步骤。 1）首先是衬底制备环节，光芯片厂商通常外采衬底。衬底制造以砷化镓 （GaAs）、磷化铟（InP）为核心材料，需历经提纯、拉晶、切割、抛光、 研磨等精密工序，最终制成单晶体衬底，作为后续外延工艺的基础载体。目 前大规格、高品质衬底仍被海外巨头垄断，典型企业包括日本住友电工、AXTI （其国内子公司为北京通美）、日本JX，24年三大厂商市占率合计达86%。 除衬底制造依赖外采，IDM光芯片厂商的外延生长、光栅制作、镀膜及测试等核 心技术均为自研。 2）外延是光芯片制备流程中的核心关键工序。 裸露的InP晶圆仅作为机械 与电学基底，其核心功能必须通过纳米级精度的外延堆叠实现。外延对组分 与层厚控制极为严苛，微小偏差即会导致性能劣化与晶圆报废。工业上主要 采用MOCVD与MBE技术，其中MOCVD凭借产能与均匀性优势主导规模 化生产。当前，以AIXTRON、Veeco为代表的MOCVD设备厂商交付产品 周期已延长至7个月以上，加上后续调试还需3-4个月以上，直接加剧了全 球光芯片的供应短缺。 3）晶圆工艺制造是承接外延工序的关键环节。核心工艺包括光栅制作、波 导光刻、刻蚀、金属化工艺及端面镀膜等，其中光栅制作是晶圆制造的核心 壁垒。 光栅制备需纳米级精度，高度依赖电子束光刻（EBL）设备，高端 EBL 设备交期普遍在12个月以上，市场由日本JEOL、德国Raith等少数 海外厂商垄断。此外，晶圆制造环节的主流光刻设备主要由ASML、Nikon、 Canon 主导，刻蚀设备则被LAM、东京电子（TEL）、应用材料（AMAT） 掌控。 4）最后还需经过多轮精密加工与全面测试，确保产品性能与可靠性达标。 器件结构制造完成后，晶圆需经历减薄、切割等工序，转化为可独立使用的 芯片。随后，芯片需通过功能、高频及可靠性测试，其中可靠性测试周期较 长，通常包括老化（约5,000小时）、高温高湿（1,000小时）、高/低温存 储（2,000 小时以上）等多项验证，完整周期可达一年左右。其中，核心AOI 缺陷检测设备由Camtek、Rudolph主导，晶圆级光电探针台由东京精密 （ACCRETECH）、东京电子（TEL）主导。 2、光芯片具有技术、产能、产业链三大壁垒 （1）光芯片技术壁垒较高 光芯片技术壁垒主要体现在外延与光栅环节，直接制约光芯片的良率提升。 外延与光栅是光芯片制造的核心壁垒，直接决定芯片性能上限。外延依托 MOCVD技术，在单晶衬底上实现原子级半导体薄膜生长与堆叠，形成芯片的基 础光电功能层，其工艺对材料、温场、气压等参数要求极高；光栅是实现光耦合、 分光、滤波的关键微纳米结构，尺寸与均匀性需达到纳米级精度，依赖电子束光 刻与刻蚀工艺，技术难度大、工艺窗口窄。两大环节均存在极高的设备与技术壁 垒，是光芯片规模化量产的关键难点。 外延与光栅的精密性是光芯片良率提升困难的根本原因。良率管理贯穿多个环节， 主要包括：缺陷检测与分类、关键尺寸与刻蚀深度的参数控制、外延均匀性控制 等。目前，海外头部厂商高速率激光器良率表现优异，可稳定维持在60%及以上； 国内厂商高速率激光器良率仍普遍处于30%-40%的爬坡阶段，而国产低速率光 芯片（如25G光芯片）良率已提升至较高水平。随着光模块速率持续迭代，200G 及以上光芯片对制造工艺的要求不断拔高，这进一步加大了良率爬坡的难度。 （2）高端光芯片面临严重产能瓶颈 目前，高端InP光芯片面临显著扩产瓶颈。1）设备侧，上游关键设备如MOCVD 设备、EBL设备全球供应高度集中于海外少数厂商，不仅采购成本高昂，其交付 周期叠加安装调试时间甚至达到一年的时间，直接大幅拉长了光芯片整体产能建 设周期；2）原材料侧，高质量InP衬底同样受制于日本住友、AXTI（其国内子 公司为北京通美）、日本JX，且InP晶体生长工艺复杂，位错密度控制难度大， 扩产周期较长，其供应刚性直接制约了下游光芯片的产能释放。 （3）光芯片行业存在极高产业链壁垒 光芯片验证流程严苛、验证周期较长。光芯片整个验证流程通常分为三个步骤： 1）芯片完成内部测试，通过可靠性验证；2）将样品交付光模块客户，由客户进 行5,000 小时的验证测试；3）终端客户还会追加5,000小时的产品可靠性验证， 因此光芯片从测试到量产需两年左右时间。若产品在任一验证环节出现瑕疵，厂 商需配合客户及时分析问题、定位失效原因，经改版迭代后的产品需重新进入验 证流程。这一过程极度考验供应商对产品研发和技术工艺的全方位掌控能力。 通过严苛验证后，光芯片行业通常呈现出极大的客户粘性。下游模块厂普遍对已 通过验证的供应商存在较强依赖，若更换芯片供应商，模块厂需承担产线重新调 试、系统兼容性风险、市场交付延迟等多重成本。因此，光芯片厂商一旦成功切 入客户供应链，合作关系往往较为稳定，但对于新进入者而言，要切入下游客户 的难度极大。 ———————————————————— 请联系商务号：13162076710 (薇：jqk-you) 免责声明：1、我们尊重知识产权，本公众号图文、数据、视频等内容有援引网络或其他公开资料，版权归属原作者、原发表出处。若版权所有方对本公众号的引用持有异议，敬请文末留言或私信我们，我们保证及时予以处理。2、本公众号提供的内容仅供读者交流学习和参考，不涉及商业目的。3、本公众号内容仅代表作者观点，我们不对内容的准确性、可靠性或完整性承担明示或暗示的保证。读者读后做出的任何决定或行为，是基于自主意愿和独立判断做出的，请读者明确相关结果。 往期好文推荐
