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关键材料科普系列| 一文读懂什么是磷化铟
时间:2022-04-29 10:06:27浏览次数:239次

当谈论起半导体国产替代时,媒体及大众往往都将目光聚焦在半导体设备、芯片设计、制造封测这些热门领域。相比之下,半导体上游的关键原材料--磷化铟(InP)关注较少。磷化铟作为第二代半导体材料,广泛应用于光通信、集成电路等领域,随着5G 时代技术革新,以磷化铟、砷化镓(GaAs)为代表的第二代半导体材料蓬勃发展,磷化铟逐步走入公众视线,其应用场景广泛,市场前景广阔。

No.1

磷化铟的产品特性和制备工艺

磷化铟是一种沥青光泽的深灰色晶体,作为第二代半导体材料,其结构为闪锌矿型晶体,禁带宽度为1.34eV。由于磷化铟具备宽禁带结构,具有极高的电子极限漂移速度,用这种材料制作的电子器件能够放大更高频率或更短波长的信号,且受外界影响较小,稳定性较高。凭借电子迁移率高、禁带宽度大、抗辐射能力强、光电转换效率高等特点,磷化铟成为继硅(Si)、砷化镓之后的新一代微电子、光电子功能材料。近年来,磷化铟在科技产业逐渐被深入使用,积极推动了世界互联网产业的数据信息传输,不断满足人们对网络、通讯的更高发展要求。

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磷化铟衬底晶片

 

相比硅、锗单元素半导体衬底,磷化铟衬底在高频、高功耗、高压、高温性能方面更为优异,但是制造工艺更为复杂。磷化铟衬底生产需要经过多晶合成、单晶生长后再经过切割、磨边、研磨、抛光、清洗等多道工艺后真空封装成品,其中多晶合成、单晶晶体生长是核心工艺。在多晶合成方面,自然界中不存在天然的磷化铟多晶,因此需要通过人工合成制备磷化铟多晶,将两种高纯度的单质元素按一定比例装入PBN坩埚中,在高温高压环境下合成磷化铟多晶;在单晶生长方面,其制备技术存在较高壁垒,能够使磷化铟单晶批量化生长的技术主要有高压液封直拉法(LEC)、垂直梯度冷凝法(VGF)和垂直布里奇曼法(VB)。据了解,VGF法生产单晶是主流且最为高效的方法之一。相较其他方法而言,VGF法生长的单晶直径最大可达8英寸,生长的晶体较为均匀且位错密度较低,位错密度越低生产出来的单晶质量越好;VGF法取消了机械传动结构,能以更低成本稳定生产单晶。

No.2

磷化铟的下游应用、发展趋势

和市场规模

磷化铟产业链上游为晶体生长、衬底和外延片的生产加工环节;产业链中游包括集成电路设计、制造和封测环节;产业链下游应用主要涉及光通信、无人驾驶、人工智能、可穿戴设备等多个领域。当前,市场上的磷化铟衬底产品规格以2-4英寸为主,2英寸产品占市场份额60%以上,4英寸的磷化铟单晶及加工技术已实现产业化。随着国内外上游晶体生长技术和下游应用领域的逐步成熟,预计6英寸衬底将向着高端产品发展,其需求比例也将加速提升。业内人士分析,未来通信元件将以高速、高频与高功率等特性为需求,进而连接5G/6G通讯、车用电子与光通讯等领域的应用,6英寸磷化铟衬底有望迎来更为广阔的用武之地

 

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磷化铟的应用领域

21世纪以来,在全球通信、光电等下游需求不断释放的带动下,磷化铟市场发展速度较快。根据新思界产业研究中心发布的《2022年全球及中国磷化铟衬底产业深度研究报告》显示,2021年全球磷化铟衬底市场规模接近10亿元,年出货量约为65万片(折合2英寸)。另一知名机构yole预测,2026年全球磷化铟衬底(折合二英寸)预计销量为128.19万片,2019-2026年复合增长率为14.40%2026年全球磷化铟衬底市场规模为2.02亿美元,2019-2026年复合增长率为 12.42%值得重点关注的是,进入2022年以来,我国发布的数字经济十四五规划以及启动东数西算工程将有望加速刺激IDC数据中心和5G光模块的高速发展,未来磷化铟衬底市场规模将进一步扩大。

No.3

磷化铟衬底仍由外企主导

国内企业积极追赶

由于磷化铟技术含量高、生产难度大,全球磷化铟市场集中度极高,以日本住友、美国AXT为首的西方企业占据全球近80%左右的市场份额,美国和日本还是磷化铟的主要生产国和消费国。此外,大尺寸单晶制备的关键技术节点仍然由西方企业把持。早在2002年,美国的AXT利用温度梯度凝固法(VGF)已研制出6英寸的磷化铟单晶。

 

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2021年磷化铟衬底全球市场份额

 

我国自上世纪70年代才开始研究磷化铟单晶材料,目前在制备高质量、大尺寸单晶技术与国际水平仍有较大差距,国内磷化铟衬底企业的全球市占率不足2%。近年来,为推动半导体产业发展,进一步促进国民经济持续健康发展,我国推出了一系列支持半导体材料产业发展的政策,如《关于加快培育发展制造业优质企业的指导意见》、《基础电子元器件产业发展行动计划(20212023年)》等。磷化铟性能优良,应用领域广泛,随着5G/6G技术、云计算、元宇宙等新一代信息技术的发展,将为磷化铟催生出更多新应用场景。

 

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