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化合物半导体如何成为新基建之基石:InP

作者:    时间:1970-01-01    阅读量:333

自3月4日我国政府指出要加快5G网络、数据中心等新型基础设施建设进度以来,“新基建”成为经济大热词。“新基建”覆盖5G基建、特高压、城际高铁和城市轨道交通、新能源汽车充电桩、大数据中心、人工智能、工业互联网七大领域,完全可以用硬核科技四个字来概括,而处于最上游的半导体产业又将如何厉兵秣马?


本期智芯咨询整合多家专业机构资源,特别推出《化合物半导体如何成为新基建之基石》系列专题。本文重点介绍InP,发掘5G时代InP衬底机会。

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国联万众

智芯咨询

未来的无线通信网络频率高达25GHZ,硅和砷化镓无法做到该频率,但是其他化合物半导体又过于昂贵,磷化铟成本低、节能,性能好,在高端产品的民用化过程中,InP器件将获得巨大的发展。目前全世界只有美国的AXT,日本的SUMITOMOELECTRIC,英国的WAFERTECH和法国的INPACT少数几家公司能够满足未来对大尺寸晶体衬底的要求,InP未来市场发展前景广阔。目前InP市场中,常用的有2英寸和3英寸衬底,4英寸和6英寸衬底则是未来竞争的焦点。
中国的InP晶体行业发展起步较晚,由于技术和品牌等方面的缺陷,一直没有形成被市场广泛接受的自主品牌。因此目前国内市场仍由发达国家的技术和产品主导。随着5G发展,中国芯片产业自主安全可控迫在眉睫,有望快速推进InP等芯片材料国产替代进程。
5G时代的InP衬底机会
5G高频、高速、高功率的特点对功率放大器(PA)的高频、高速以及功率性能要求进一步提升,也对制备PA器件的半导体材料的性能要求更为严格。
▼5G高频、高速特质驱动PA等射频组件性能提升、数量倍增


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数据来源:3GPP、毛建军等于2015年发表于《现代雷达》期刊的论文《一种用于5G的大规模MIMO天线阵设计》、广发证券发展研究中心


高工作频段要求半导体材料具备更高的饱和速度和电子迁移率。载流子饱和速度和电子迁移率越高,半导体器件工作速度则越快。因此5G高工作频段对半导体材料的饱和速度和电子迁移率要求更高。由下表可见,第二代半导体GaAs和InP的电子迁移率分别是Si的5倍和4倍左右,而第二代、第三代半导体的饱和速度均为Si的2倍以上,更为适合于5G射频器件应用。
高功率要求则要求半导体材料具备更高的禁带宽度和击穿电场。禁带宽度和击穿电场强度越大,半导体材料的耐高电压和高温性能越好,即可以满足更高功率器件的要求。由下表可见,第二代半导体材料GaAs的禁带宽度约为Si的1.3倍,而第三代半导体材料GaN的禁带宽度则是Si的3倍。因此,GaAs和GaN等第二代、第三代半导体相对于Si更适合于制备高功率器件。

▼第一代、第二代、第三代半导体物理性能参数对比

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数据来源:周春锋等于2015年发表于《天津科技》期刊的论文《砷化镓材料技术发展及需求》、广发证券发展研究中心


备注:表中SiC指的是4H-SiC结构的相关参数
InP比GaAs更先进
磷化铟(InP)半导体材料同硅和砷化镓材料相比具有高的电光转换效率,高的电子迁移率,高的工作温度,以及强抗辐射能力的特点,因而在民用和军事领域的应用广泛,例如在太赫兹(THz)、激光器、太阳能电池、光电探测器和光纤网络系统等领域,包括入户光纤和数据中心传输,以及目前正在大力发展的5G移动网络等,这些都给InP衬底材料带来巨大的市场前景。InP半导体材料具有宽禁带结构,并且电子在通过InP材料时速度快,这意味着用这种材料制作的器件能够放大更高频率或更短波长的信号。例如,在卫星领域,利用InP芯片制造的接收机和放大器就可以获得100GHZ以上的频率。另外,InP基的太阳能电池目前报道最高可以获得44.7%的转化效率,因此其在卫星通信业和卫星太阳能电池领域潜力巨大。因此,InP是一种比GaAs更先进的半导体材料,在光纤通信、毫米波和无线应用等方面具有明显的优势。这就是为什么虽然同属Ⅲ-Ⅴ族化合物,GaAs发展较早且相对价格便宜,而InP虽然起步晚却发展迅速的原因。
▼InP主要应用领域



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数据来源:云南锗业官网、广发证券发展研究中心


Yole预测到2024年,InP市场规模将达到1.72亿美元。目前,InP晶圆市场真正
的增长是在光子应用领域。在光通信领域,InP在发射、光检测、调制、混合等诸多
功能上都具有很高的性能,但由于其成本较高,经常受到其他半导体材料的挑战。
尽管如此,InP仍然是用于电信和数据通信应用的收发器中激光二极管不可或缺的构
件。随着5G的快速发展和数据通信业务的迅猛增长,InP晶圆和外延片的需求都将
快速提升,根据Yole测算数据,到2024年,InP市场规模将达到1.72亿美元,2018
年至2024年的复合年增长率为14%。
▼InP应用市场规模预测

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数据来源:Yole、广发证券发展研究中心


InP技术:制备高纯半导体单晶为组件制造的首要环节
晶胞重复的单晶半导体材料能够提供芯片制作工艺和器件特性所要求的电学和机械性质,而缺陷较多的多晶半导体材料则对芯片制备不利,因此制备高纯的单晶半导体材料是芯片等器件制造的首要环节。单晶生长的基本工艺原理是,待多晶原料经加热熔化、温度合适后,经过将籽晶浸入、熔接、引晶、放肩、转肩、等径、收尾等步骤,完成一根单晶锭的拉制。
单晶锭经过裁切、外径研磨、切割、刻蚀、抛光、清洗等流程后成为晶圆片,之后进入芯片生产加工流程。芯片制造过程可概分为晶圆处理工序(WaferFabrication)、晶圆针测工序(WaferProbe)、封装工序(Packaging)、测试工序(InitialTestandFinalTest)等几个步骤。其中晶圆处理工序和晶圆针测工序为前道(FrontEnd)工序,而封装工序和测试工序为后道(BackEnd)工序。
▼制备高纯半导体单晶为组件制造的首要环节

微信图片_20200625175855.jpg数据来源:周铁军等于2018年发表于《科技风》期刊的论文《VGF法Si-GaAs单晶生长过程中产生位错的因素》、广发证券发展研究中心


为了制备高质量InP单晶,必须要纯度高、近化学配比多晶原料作为前提保障。当多晶原料熔化后,偏离化学配比较多时容易在晶体内部形成夹杂物、沉淀、孪晶和位错等缺陷,这些缺陷可能严重损害晶体质量和晶体的物理特性。因而,控制化合物半导体多晶料或者熔体的配比度一直是制备晶体材料的首要任务,也是制备高离解压化合物半导体的难点。
InP晶体在熔点温度1062℃下,磷的饱和蒸汽压大约为2.75MPa,而合成过程中,红磷的蒸汽压可高达10MPa,因而制备InP不能像制备GaAs一样在高压釜内直接混合合成,通常需要溶质缓慢的扩散技术或者注入合成技术合成InP。为合成InP多晶原料,常用方法是把高纯红磷和高纯度金属铟在压力容器内进行高压化合,然后把化合好的InP材料在InP单晶炉内制备成单晶。InP合成方法主要有溶质扩散合成技术(SynthesisSoluteDiffusion-SSD),水平布里奇曼法(HB),垂直梯度凝固法生长(VGF),水平梯度凝固法(HGF)和原位直接合成法(In-situSynthesis)等。
大尺寸的InP单晶是未来InP制备的方向。早在2002年,美国的AXT利用温度梯度凝固技术制备了6英寸的磷化铟单晶。另外,日本昭和电工和住友公司也分别利用一种改进的热壁液封直拉技术(LEC)和verticalboat技术制备了6英寸的磷化铟单晶。目前,国际上4英寸的磷化铟单晶及加工技术已开始实现产业化。6英寸的磷化铟单晶生长及加工技术正在向着批量化的方向发展,相信不久的将来,4英寸的磷化铟单晶将代替2英寸衬底成为市场主打产品,6英寸的磷化铟单晶衬底将向着高端产品发展。
▼InP单晶衬底



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数据来源:JXTG官网、广发证券发展研究中心


InP格局:5G带动下,InP国产化进程有望加速
未来的无线通信网络频率高达25GHZ,硅和砷化镓无法做到该频率,但是其他化合物半导体又过于昂贵,磷化铟成本低、节能,性能好,在高端产品的民用化过程中,InP器件将获得巨大的发展。目前全世界只有美国的AXT,日本的SUMITOMOELECTRIC,英国的WAFERTECH和法国的INPACT少数几家公司能够满足未来对大尺寸晶体衬底的要求,InP未来市场发展前景广阔。目前InP市场中,常用的有2英寸和3英寸衬底,4英寸和6英寸衬底则是未来竞争的焦点。
美国的AXT公司,是InP衬底制备的最大的国际公司之一,其在2015年7月末全额收购了CRYSTACOMM,获得了用以制备磷化铟的多晶料和LEC法制备大尺寸单晶的技术,AXT主要为垂直梯度凝固法生长(VGF)技术,LEC法可以制备大尺寸晶体,而VGF可以制备低位错的衬底,CRYSTACOMM之前就从事生长2、3、4英寸晶体,也在研发6英寸晶体晶体生长技术,6英寸磷化铟衬底的生长制造还处于发展的初级阶段。
▼AXT主要产品情况



微信图片_20200625175904.jpg数据来源:AXT2019三季报、广发证券发展研究中心


中国的InP晶体行业发展起步较晚,由于技术和品牌等方面的缺陷,一直没有形成被市场广泛接受的自主品牌。因此目前国内市场仍由发达国家的技术和产品主导。随着5G发展及贸易保护主义抬头,中国芯片产业自主安全可控迫在眉睫,有望快速推进InP等芯片材料国产替代进程。
▼中国InP单晶生长设备和生长单晶衬底主要企业


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数据来源:CNKI、广发证券发展研究中心


云南锗业:加快布局InP产能
公司是国内最大的锗系列产品生产商,主营材料级产品(区熔锗锭、二氧化锗)及深加工方面的光伏级锗产品(太阳能锗衬底片)、红外锗系列产品(红外级锗单晶、锗镜片、镜头、红外热像仪)、光纤级锗产品(光纤用四氯化锗),同时积极布局非锗半导体材料级产品(砷化镓、磷化铟单晶片)。
公司年报显示子公司云南鑫耀具备砷化镓单晶片产能80万片/年(以4英寸计)。据公司2019年12月27日公告,控股子公司云南鑫耀半导体拟建设一条磷化铟单晶片生产线,生产线建成后公司将具备年产15万片4英寸磷化铟单晶片的能力。本项目建设期2年,总投资3.2亿元,此前公司已完成5万片/年2英寸磷化铟单晶及晶片产业化建设项目。

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(本文转自:第三代半导体联合创新孵化中心




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