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磷化铟半导体材料市场发展现状

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    来源:金智创新    作者:王明  2020-02-01 21:30:37
导读

摘要:磷化铟半导体材料具有宽禁带结构,并且电子在通过磷化铟材料时速度快,因此磷化铟半导体器件能够放大更高频率或更短波长的信号。在光通信、高频毫米波器件、光电集成电路和外层空间用太阳能电池等领域有着广泛的应用,本文分析了磷化铟半导体材料市场发展现状。 

来源:金智创新  王明

 摘要:磷化铟半导体材料具有宽禁带结构,并且电子在通过磷化材料时速度快,因此磷化铟半导体器件能够放大更高频率或更短波长的信号。在光通信、高频毫米波器件、光电集成电路和外层空间用太阳能电池等领域有着广泛的应用,本文分析了磷化铟半导体材料市场发展现状。

  2002年,为了使通信卫星在太空具有极高速率传输数据的能力,科学家共同努力开发出了磷化铟半导体材料。利用磷化铟制造的卫星信号接收机和放大器可以工作在100GHz以上的极高频率,并且有很宽的带宽,受外界影响较小,稳定性很高。磷化铟是一种比砷化更先进的半导体材料,有可能推动卫星通信业向更高频段发展。

  此外,目前光通信器件主要采用磷化铟基材料,数码率很高,波长单色性很好的磷化铟基激光器、调制器、探测器及其模块已广泛应用于光网络,从而推动互联网数据信息传输量的飞速发展,不断满足人们对网络向更高速和更宽带宽方向发展的要求。

  国外企业投入大,技术成熟

  近年来,磷化铟晶片的需求量以每年15%的速度递增。当前市场份额最大的是可以制作光电器件的磷化铟衬底,专家预测用于近红外成像方面磷化铟产品的营业额将达到亿美元;磷化铟基的波分复用系统也将超过10亿美元的市场,根据2011年国际半导体发展路线图(ITRS),到2024年,场效应晶体管的最小栅节距将由现在的75nm减小到15nm,栅长将由现在的24nm减小到7nm,器件尺寸减小和密度增加,导致的严重热效应,超越Si基器件所能承受的极限。解决这一问题,需要找到新材料系,把器件高载流子迁移率与低工作电压结合起来,其中最有希望的便是磷化铟基材料体系,美、日、英、法、德、意、俄等国都对磷化铟材料的发展给予了高度重视和大量投入。

  国外进行磷化铟单晶生产,技术成熟,能够进行批量化生长的主要技术有高压液封直拉法(LEC)、垂直温度梯度凝固法(VGF)和垂直布里奇曼法(VB)。目前,美国AXT公司和日本住友电气公司分别使用VGF和VB技术可以生长出直径1500nm的磷化铟单晶,晶体的错位水平比LEC法的要低1~2个数量级。日本住友公司使用VB法制备直径4英寸掺Fe半绝缘磷化铟单晶衬底已达到批量生产的程度。

  国内开展磷化铟单晶材料的研究工作也已经超过30年,但磷化铟单晶生长技术的研究规模、项目支持力度和投入较小,与国际水平还存在较大差距。目前,国内开展磷化铟单晶研制的单位是中科院半导体所(高压液封直拉技术和温度梯度凝固技术)和中国电子科技集团第十三研究所(高压液封直拉技术)。

  日美英法企业垄断约80%的市场份额

  目前,由于在磷化铟单晶生长设备和技术方面存在较高壁垒,磷化铟市场参与者较少,且以少数几家国外厂商为主,主要供应商包括日本住友、日本能源、美国AXT(中国生产)、法国InPact、英国WaferTech等,以上5家厂商占据了全球近80%的市场份额,如图1 所示。国内只有少数几家公司,正在积极准备进入该市场,包括云南业、先导稀材、中科晶电、东一晶体等。

 

图1 磷化铟衬底生产厂商全球市场份额
(来源:金智创新行业研究中心)

 

  目前,国内除通美北京工厂外,尚没有可批量生产单晶衬底的厂家。但传统的砷化镓、单晶衬底厂家同样注意到了该市场的机会,包括珠海鼎泰芯源公司、云南锗业、先导稀材、中科晶电、东一晶体在内的厂家正在积极布局。

  国内企业,云南锗业处于西南,主营业务为锗矿和锗材料加工贸易,技术底蕴不足,不具备真正的技术创新和全工艺管控能力。先导稀材主营业务是稀有金属,在磷化铟方面投入的关注和资源十分有限。而中科晶电的磷化铟单晶技术处于起步阶段且未见明显进展,该公司的砷化镓单晶衬底核心技术主要来自于国外和国内研究机构,公司自主研发能力有限。深圳东一晶体的产品技术水平仍有待客户端确认,同时其产业化和精细化管理能力有待时间验证。

  光通信领域为主流市场,欧美国家需求最大

  当前市场上的磷化铟产品规格以2~4英寸为主,2寸占75%以上,随着上游拉晶和下游应用技术的逐步成熟,预计未来大尺寸产品比例将逐步提升。

  根据市场公开资料,2015年磷化铟的晶圆全球市场在140万片(折合2英寸)左右,总市场规模在15亿~20亿人民币之间。测算来自行业公司财报数据,以通美公司(AXT)为例,其2015年磷化铟产品销售额近2亿元,总销量14万片(折合2英寸),而该公司占磷化铟产品10%~15%的全球市场份额。

  根据区域又可划分为大陆、中国台湾、海外其他国家三个主要消费市场。目前,由于国内激光器外延厂家尚未实现大规模生产,衬底年用量总计在3万片左右,占全球总市场份额不足2%。而中国台湾由于有联亚光电等外延大厂,年需求近20万片,市场份额在14%左右。目前,光通讯用激光器的主要厂商仍在欧美,如Finisar、Oclaro等,磷化铟消费市场份额接近85%。

  目前,磷化铟单晶衬底80%的市场需求来自光通讯市场,受全球光通讯市场的高景气度影响,其在光通讯市场的需求增长将十分可观。根据通美公司公开财报资料,磷化铟业务在2013~2016年期间年均增速在40%以上。未来5年,随着光通讯及红外成像、微波尤其是5G的高速发展,保守估计,磷化铟衬底市场的年复合增速也应达30%左右。且随着3、4、6英寸衬底产品出货量的增加,预计到2020~2021年,全球市场衬底需求量约为400万片/年(折合2英寸)。其中,欧美市场份额在80%左右,大陆和中国台湾市场份额均在10%左右。

  此外,高频通信市场的磷化铟单晶衬底需求随着5G、毫米波的推进也有望高速增长,且增速在40%~50%之间,可能高于光通讯市场。目前,由于国内激光器外延厂商尚未大规模出货,国内年衬底用量总计在3万片左右,占总市场份额不足2%。但是随着海信、光迅、仕佳等公司在光通讯芯片外延技术上缺的突破,国内市场有望在近年内快速放量,衬底年均增长率可能超过50%。中国台湾及欧美市场仍主要依靠光通讯市场的扩容,年增速将低于国内市场,预计在15%~30%之间。

  结语

  磷化铟半导体材料的应用领域相对前沿,欧美国家对此重视程度高,投入大,技术发展相对成熟。日美英法企业垄断约80%的全球市场份额,国内企业自主研发和产业化能力尚不能与国外企业竞争。光通信领域为主流市场,未来随着5G商业化的加速,可能在高频通信领域磷化铟半导体材料会迎来高速增长。

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