在全球率先实现了铌酸锂单晶薄膜的批量化制备。
文丨源创多盈集团
近日，全球领先的光电晶体薄膜材料研发企业济南晶正电子科技有限公司（以下简称晶正电子）完成数亿元融资，本轮融资老股东源创多盈继续领投，大湾区基金联合领投，毅达资本等机构跟投。
晶正电子成立于2010年，是一家主要从事纳米厚度晶体薄膜芯片材料研发、生产和销售为一体的高新技术企业和国家级“专精特新”小巨人企业。公司主要产品为直径3到8英寸的铌酸锂和钽酸锂单晶薄膜材料产品，涵盖多种规格高技术难度、高规格晶体薄膜材料。公司开发出了直径3-8英寸、300-900纳米厚的铌酸锂晶体薄膜，是业内首家将8英寸铌酸锂晶体制成铌酸锂薄膜的企业，在全世界范围内具有绝对优势。
晶正电子在全球率先实现了铌酸锂单晶薄膜的批量化制备
铌酸锂（LiNbO3）是一种铌、锂和氧的化合物，是一种负性晶体（n0>ne），是集光折变效应、非线性效应、电光效应、声光效应、压电效应与热电效应等于一体的材料，是一种非常重要的光学功能材料，是调制器、滤波器、存储器以及探测器等基础材料之一。哈佛大学曾发表公告提出：铌酸锂对于光子学的意义，等同于硅对于电子学的意义；人类正在进入”铌酸锂谷”的时代。
近年来，晶体材料一直在向着薄膜化的方向发展，其薄膜技术及其潜在的集成光子学系统，已经逐渐成为当前光子学研究前沿的“变革性”技术。铌酸锂晶圆片可以直接用来生产下游应用产品的核心器件，也可以在晶圆片的基础上进行薄膜化处理，形成薄膜铌酸锂晶圆。
基于薄膜铌酸锂芯片设计生产的光电子器件和射频器件体积小、集成度提高、响应频带更宽、响应频率更高、功耗降低、制造成本显著降低。高性能薄膜材料是实现铌酸锂和钽酸锂在声学、微纳光子学、集成光子学和微波光子学等领域应用的基础。
传统体材料铌酸锂调制器与薄膜铌酸锂调制器的对比
早在30年前，国外就有人想把铌酸锂做成薄膜进行量产，却因技术难度过高而无法实现。晶正电子通过“离子注入切片”的方式生产薄膜铌酸锂——在铌酸锂衬底片上注入一层高剂量的粒子，并键合到附有二氧化硅缓冲层的硅衬底上，再通过特殊热处理剥离出铌酸锂单晶薄膜，形成的薄膜铌酸锂材料。离子注入法与其他外延、蒸发等手段得到的铌酸锂薄膜材料相比，晶片更薄、晶向弧度更低、表面更光滑、厚度更均匀、抛光擦痕更少、寻常光折射率更高、异常光折射率更低、顶层铌酸锂薄膜与基底材料对齐偏差更小。然而，离子注入实质上是在铌酸锂晶体中形成“损伤层”，使薄膜极易破碎或产生裂纹，后续的键合以及热处理中也存在热失配及晶格失配等一系列问题，从而导致良品率低，因此离子注入法生产薄膜铌酸锂对工艺和操作要求极高，形成较高的技术壁垒。晶正电子通过不断技术革新，成功突破关键技术，在全球率先实现了纳米级、大尺寸铌酸锂薄膜的批量化制备，填补了行业空白，使我国在此高精尖领域技术水平处于世界领先地位，解决了国外集成光学芯片与5G射频芯片材料“卡脖子”问题。
铌酸锂薄膜的制备过程
薄膜铌酸锂是人工智能算力基础设施建设的关键基础材料
AI浪潮席卷全球，带来了算力需求的爆发式增长。作为支持AI算力的重要基础设施，数据中心不仅肩负着满足海量数据处理的使命，更是推动各行各业实现数字化转型的动力来源。我们知道，人工智能的应用对低延迟和高带宽的网络架构有迫切需求，以满足服务器之间产生的大量机器对机器的输入/输出需求。为了支持这些应用，分布式数据中心之间的最大传输距离必须限制在大约100公里以内，因此需要以集群方式连接这些数据中心。为了实现高带宽和高密度的数据中心互联，数据中心拓扑结构由传统三层结构向叶脊结构转变，收敛比快速收窄。这种结构减少了延迟、提高了扩展性、均衡分担了负载，也增加了光纤接口数，从而对高速率、高带宽、低损耗的光模块的需求大幅增长。
根据Lightcounting的市场预测, 2024年光模块总市场约145亿美元，2029年市场容量超过260亿美元，其中光学芯片市场为59亿美元。在这59亿美元的光学芯片市场中，铌酸锂（包括薄膜及非薄膜）芯片约为7.6亿美元（59亿美元*13%）,这一市场规模相对于2023年的1.2亿美元（24亿美元*5%）增加了6-7倍。
铌酸锂凭借其优异的电光效应，成为光电产业领域的关键基础材料，其制备的电光调制器具备高调制带宽，高传输速率、低损耗、良好的消光比和优越的期间稳定性。铌酸锂的薄膜化更是带来了重要的改变，一方面采用脊型光波导模式，调制面积的缩小，半波电压减小，从而带来了更低的损耗；另一方面光场限制更强，调制信号带宽更高。从行业内的企业展示的最新的薄膜铌酸锂调制器芯片Demo我们可以看到，薄膜铌酸锂调制器芯片的带宽已经可以做到单通道400G，8通道3.2T的水平。
除此之外，基于大规模加工工艺、多种材料异质集成和电子电路联合封装，薄膜铌酸锂将实现大规模的光学网络，从根本上颠覆众多应用，如全集成激光雷达和光神经网络，全集成的光量子芯片等，从而带动核心光网络向超高速和超远距离传输升级。薄膜铌酸锂有望成为大规模集成光电子器件的衬底材料，推动集成光学芯片、量子计算领域的快速发展，市场前景广阔。
薄膜铌酸锂是解决我国5G通信“卡脖子”问题的关键材料
无线通信系统的通信模块主要由天线、射频前端模块、射频收发模块、基带信号处理等组成。射频前端芯片介于天线和射频收发模块之间，是包括手机在内的移动智能终端产品的重要组成部分，而射频前端芯片最重要的部分为射频滤波器。
滤波器作为选频滤波器件，直接决定了通信设备的工作频段和带宽，在射频前端扮演了举足轻重的角色。伴随5G通信极高的数据传输能力而来的是对滤波器的高带宽需求。然而，高性能的射频芯片这个领域基本上是被欧美和日本的几家巨头所牢牢把控，特别是在5G滤波器这个射频芯片里的核心元器件方面，无论是材料、工艺还是知识产权方面，欧美和日本几家巨头都处于垄断地位。射频滤波器系《科技日报》整理的国外占据垄断优势 35 项卡脖子项目第7项。
铌/钽酸锂（LN/LT）压电晶圆具有优良的压电性能、热稳定性、化学稳定性和机械稳定性，是制作射频声表面波滤波器（SAW）的理想基板材料。而基于薄膜铌酸锂的SAW相对于普通SAW和TC-SAW而言，获得了更高频率、更广带宽；相对于BAW来说，基于薄膜铌酸锂衬底的SAW工艺流程更简单且成本更低。因此基于薄膜铌酸锂和钽酸锂的射频滤波器已经成为我国解决5G通信“卡脖子“问题的关键技术路线，薄膜铌酸锂和钽酸锂成为解决我国5G通信“卡脖子”问题的关键材料。
晶正电子的成长之路
1966年，胡文出生在山东潍坊的一个教师家庭，后来凭借优异成绩保送进入山东大学计算机专业。大学毕业后，胡文被分配到中国石化山东石油公司，后前往曼谷的亚洲理工学院攻读硕士学位。
上世纪末，受出国潮影响，胡文来到了IBM旗下一家公司做软件开发和测试工作，并在加拿大定居。海外工作期间，胡文还兼任加拿大中国专业人士协会济南海外科技人才创业基地主任，曾积极帮助过一批华侨归国创业。
2009年，济南市启动了“5150引才计划”，专门设立每年1亿元的人才引进专项资金，还提供创业资助、科研补助、待遇补贴等服务。看到这一政策后，胡文萌生了回国创业的念头。
在回国前，胡文认真考察了北京，上海，无锡等几个城市，但发现济南有70多所高校，人才资源丰富。“还有济南的生活成本、创业成本等比较低，适合初创者。”胡文在接受凤凰网采访时曾表示。
2010年，胡文放弃了国外的优厚待遇，回国在济南市综合保税区创立了晶正电子，专注铌酸锂单晶薄膜的研发，剑指高端通讯领域。功夫不负有心人。2015年，在国家、省、市各部门大力支持下，胡文和团队终于利用离子注入及直接键合等技术，率先研发出纳米厚度铌酸锂单晶薄膜产品，填补行业空白，从厚度为0.5毫米的铌酸锂材料上剥离出厚度仅有数百纳米的单晶薄膜，相当于将原来的0.5毫米的铌酸锂单晶平行切了1000片。
不仅如此，晶正电子还攻克了从实验室到工业化生产的难题，成为全世界率先实现工业化生产的公司——2016年晶正电子在章锦综保区建立了约40亩的生产工厂，开始进行产业化准备。
晶正电子与源创多盈结缘
源创多盈秉持深耕区域、深潜产业、深入服务的策略，聚焦热力、电力、算力、生命力的产业投资，一直关注半导体产业的发展，并投资了碳化硅第一股——山东天岳先进科技股份有限公司等企业。
经过长期筛选布局，源创多盈关注到了晶正电子，意识到了薄膜铌酸锂具有巨大潜力和价值，未来将引领产业变革。因此在晶正电子亟需资金支持之际，源创多盈果断选择投资晶正电子，并在之后持续投资，帮助其渡过难关。
在源创多盈投资后，晶正电子加快了发展的步伐，2020年与山东大学晶体材料国家重点实验室联合成立“铌酸锂晶体薄膜研发中心”，为5G通讯、人工智能、量子通讯、电子信息等领域提供关键材料和器件，推进应用技术的研究和成果转化；2022年获得“山东省科学技术进步一等奖”；2023年获得山东省“瞪羚”企业。客户群体也从剑桥、哈佛、耶鲁、清华等科研机构扩展到产业链下游科技企业，包括美国、日本等全球二百余家高科技企业及科研机构用。
源创多盈的铌酸锂产业布局
源创多盈已与晶正电子建立深度合作，并帮助其完成最新一轮融资。围绕晶正电子，源创多盈正进行更广泛的产业布局。在下游，源创多盈投资了国内领先的光电子器件供应商北京世维通科技股份有限公司和国内优质薄膜铌酸锂光芯片及器件的供应商上海安湃芯研科技有限公司。
在上游，源创多盈亲自下场主导并控股了山东恒元半导体科技有限公司（以下简称恒元光电）。
恒元光电是一家专业从事铌酸锂、钽酸锂等光电材料、压电材料研发、生产及销售于一体的新兴科技型企业，核心产品包括不同尺寸（3-8英寸）、不同轴向（X-cut、Z-cut、Y128-cut等）的光学级铌酸锂晶体材料、不同类型掺杂的铌酸锂晶体材料以及近化学计量比的铌酸锂晶体材料。2024年6月，恒元光电自主研制成功了12英寸（直径300 mm）光学级铌酸锂晶体，是国际上首次报道12英寸超大尺寸铌酸锂晶体，标志着我国光电子产业关键材料水平取得重大突破。
源创多盈已进行了从材料到芯片器件的产业布局，助力中国新一代信息技术的关键技术突破，与企业并肩前行，共同实现科技成果经济及社会价值的放大。源创多盈将继续在集成电路产业领域深耕布局，孵化并培育集成电路产业中关键节点型技术企业，助力更多科创企业长期发展。
（首图来源：壹图网）
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