山东好成果 | 器件生产成本降低50%以上，12英寸铌酸锂晶体开启光电子新时代

研究表明，基于铌酸锂光学平台开发出的全球领先微波光子芯片，可运用光子进行超快模拟电子信号处理及运算，比传统电子处理器快1000倍，不仅能耗更低，而且应用范围广阔，涵盖无线通信、高分辨率雷达、人工智能、计算机视觉、图像/视频处理等多个领域。

如今，被称为"工业种子材料"的铌酸锂晶体正进行着一场光电子产业的颠覆性变革。2024年5月，山东恒元半导体科技有限公司与山东大学、济南大学的科研团队合作，成功自主研制了12英寸(直径300mm)的超大尺寸光学级铌酸锂晶体。据了解，经过两年的攻关，经历了数十次失败，研发团队相继攻克12英寸铌酸锂晶体生产设备的设计、晶体生长及缺陷控制、晶体后处理等全链条关键核心技术，终于在全球首先突破了12英寸铌酸锂晶体生长技术，标志着我国光电子产业关键材料的发展水平取得重大突破。

经历了数十次失败，研发团队在全球首先突破了12英寸铌酸锂晶体生长技术

从6英寸到12英寸，铌酸锂晶体技术新突破

铌酸锂晶体因其卓越的压电、电光、声光以及非线性光学性能，成为推动集成光子技术发展的核心基础材料。该材料在高性能滤波器、电光器件、全息存储、3D全息显示、非线性光学器件以及光量子通信等前沿领域具有广泛应用，为集成光子的发展提供战略性基础支撑。

此前，恒元半导体通过科技成果转化，已成功实现6至8英寸Z轴和X轴光学级铌酸锂晶体的批量生产。然而，全球大尺寸光学级铌酸锂晶体市场长期被国外企业垄断，超过90%的市场份额由国外公司占据，并对相关产品实施出口限制。我国在该领域的主流技术仍以6英寸晶体为主，技术升级需求迫切。

随着高性能光电芯片技术的快速发展，8至12英寸的大尺寸铌酸锂晶体需求日益迫切。恒元半导体与山东大学刘宏教授、济南大学孙德辉教授的科研团队合作，首次提出并攻克了12英寸铌酸锂晶体生长技术。

科研团队在晶体生产设备设计、晶体生长工艺以及缺陷控制等关键技术上取得突破，率先在国内实现了8英寸晶体的批量化制备技术，并成功研制出全球首个12英寸超大尺寸光学级铌酸锂晶体。

8英寸（直径200mm）铌酸锂晶体

不断增加光电芯片集成度，破局“后摩尔时代”

业内普遍认为，基于铌酸锂晶体的集成光电技术，其颠覆性不亚于当年的硅基集成电路技术，所以铌酸锂也有“光学硅”的美称。从“光学硅”的技术潜力来看，在半导体行业，有一条广为人知的经验法则，被称为“摩尔定律”：集成电路上可容纳的晶体管数量大约每18至24个月翻一番，从而推动处理器性能每两年提升一倍，同时价格下降至原来的一半。

摩尔定律在一定程度上反映了信息技术发展的速度，包括性能的快速提升和成本的显著下降。然而，随着物联网、人工智能、无人驾驶等新兴技术的加速发展，对数据传输速度、存储密度和计算能力的要求日益提高，这使得市场对高性能、低功耗且经济实惠的芯片需求持续增长。这一趋势不仅推动了芯片技术的不断创新，也对半导体行业的未来发展提出了新的挑战。

在物联网与AI算力需求指数级暴涨的今天，基于电子和硅材料的集成电路芯片已逼近物理天花板，信息技术的发展已经进入了“后摩尔时代”。由此，科学家们将目标转向了速度更快、能耗更低、性能更稳定的光子芯片。

集成光电芯片是运用光子进行超快模拟电子信号处理及运算的，不受制程尺寸的限制，因而比传统电子处理器要快1000倍。正因为集成光电技术的持续发展，摩尔定律才有望“延续”。

恒元光电生产的铌酸锂晶体，正是集成光电芯片的上游原材料。相比于8英寸铌酸锂晶体，12英寸铌酸锂晶体可使得光电芯片集成度增加2-3倍，器件生产成本降低50%以上。

12英寸超大尺寸铌酸锂晶体

大尺寸铌酸锂晶体成功应用，推动光学级铌酸锂晶体国产化

据了解，研发团队已经掌握了从相关设备的设计、均匀多晶料制备、晶体生长及缺陷控制、晶体后处理的全链条关键核心技术。在位于济南高新区航天大道的中欧制造国际港内，12英寸铌酸锂晶体正在制作中。

在恒元光电的无尘车间内，8个晶体生长炉依次排开。恒元半导体相关负责人介绍，这些晶体的原料，是高纯度的氧化铌和碳酸锂，原料在混合、压块、烧结后放到晶体生长炉里，用提拉法进行晶体生长，大约十多天，便会生长成一个标准的圆柱。经过退火极化后，再将圆柱切割成晶圆片毛片，倒角、研磨、抛光、清洗之后，最终的成片就是铌酸锂晶圆片。12英寸铌酸锂晶体研制成功，让济南在集成光电子产业发展的道路上再进一步。

目前，恒元半导体研发的大尺寸铌酸锂晶体已在济南晶正电子单晶薄膜等产品成功应用，逐步替代日本进口产品，助力光学级铌酸锂晶体的国产化进程。恒元半导体相关负责人表示，晶体尺寸越大，意味着单位芯片的成本越小，这是光子芯片产业化的基础。三年内，恒元半导体计划将晶圆年产量达到25万片。随着该成果的进一步推广应用，未来将实现经济效益超亿元，助力我国光电子基础原材料的快速发展，有力保障光电子产业链的自主可控。

（来源：山东科技）