摘要：磷化銦半導(dǎo)體材料具有寬禁帶結(jié)構(gòu)，并且電子在通過(guò)磷化銦材料時(shí)速度快，因此磷化銦半導(dǎo)體器件能夠放大更高頻率或更短波長(zhǎng)的信號(hào)。在光通信、高頻毫米波器件、光電集成電路和外層空間用太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，本文分析了磷化銦半導(dǎo)體材料市場(chǎng)發(fā)展現(xiàn)狀。

　　2002年，為了使通信衛(wèi)星在太空具有極高速率傳輸數(shù)據(jù)的能力，科學(xué)家共同努力開(kāi)發(fā)出了磷化銦半導(dǎo)體材料。利用磷化銦制造的衛(wèi)星信號(hào)接收機(jī)和放大器可以工作在100GHz以上的極高頻率，并且有很寬的帶寬，受外界影響較小，穩(wěn)定性很高。磷化銦是一種比砷化鎵更先進(jìn)的半導(dǎo)體材料，有可能推動(dòng)衛(wèi)星通信業(yè)向更高頻段發(fā)展。

　　此外，目前光通信器件主要采用磷化銦基材料，數(shù)碼率很高，波長(zhǎng)單色性很好的磷化銦基激光器、調(diào)制器、探測(cè)器及其模塊已廣泛應(yīng)用于光網(wǎng)絡(luò)，從而推動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)信息傳輸量的飛速發(fā)展，不斷滿足人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)向更高速和更寬帶寬方向發(fā)展的要求。

　　國(guó)外企業(yè)投入大，技術(shù)成熟

　　近年來(lái)，磷化銦晶片的需求量以每年15%的速度遞增。當(dāng)前市場(chǎng)份額最大的是可以制作光電器件的磷化銦襯底，專(zhuān)家預(yù)測(cè)用于近紅外成像方面磷化銦產(chǎn)品的營(yíng)業(yè)額將達(dá)到億美元;磷化銦基的波分復(fù)用系統(tǒng)也將超過(guò)10億美元的市場(chǎng)，根據(jù)2011年國(guó)際半導(dǎo)體發(fā)展路線圖(ITRS)，到2024年，場(chǎng)效應(yīng)晶體管的最小柵節(jié)距將由現(xiàn)在的75nm減小到15nm，柵長(zhǎng)將由現(xiàn)在的24nm減小到7nm，器件尺寸減小和密度增加，導(dǎo)致的嚴(yán)重?zé)嵝?yīng)，超越Si基器件所能承受的極限。解決這一問(wèn)題，需要找到新材料系，把器件高載流子遷移率與低工作電壓結(jié)合起來(lái)，其中最有希望的便是磷化銦基材料體系，美、日、英、法、德、意、俄等國(guó)都對(duì)磷化銦材料的發(fā)展給予了高度重視和大量投入。

　　國(guó)外進(jìn)行磷化銦單晶生產(chǎn)，技術(shù)成熟，能夠進(jìn)行批量化生長(zhǎng)的主要技術(shù)有高壓液封直拉法(LEC)、垂直溫度梯度凝固法(VGF)和垂直布里奇曼法(VB)。目前，美國(guó)AXT公司和日本住友電氣公司分別使用VGF和VB技術(shù)可以生長(zhǎng)出直徑1500nm的磷化銦單晶，晶體的錯(cuò)位水平比LEC法的要低1~2個(gè)數(shù)量級(jí)。日本住友公司使用VB法制備直徑4英寸摻Fe半絕緣磷化銦單晶襯底已達(dá)到批量生產(chǎn)的程度。

　　國(guó)內(nèi)開(kāi)展磷化銦單晶材料的研究工作也已經(jīng)超過(guò)30年，但磷化銦單晶生長(zhǎng)技術(shù)的研究規(guī)模、項(xiàng)目支持力度和投入較小，與國(guó)際水平還存在較大差距。目前，國(guó)內(nèi)開(kāi)展磷化銦單晶研制的單位是中科院半導(dǎo)體所(高壓液封直拉技術(shù)和溫度梯度凝固技術(shù))和中國(guó)電子科技集團(tuán)第十三研究所(高壓液封直拉技術(shù))。

　　日美英法企業(yè)壟斷約80%的市場(chǎng)份額

　　目前，由于在磷化銦單晶生長(zhǎng)設(shè)備和技術(shù)方面存在較高壁壘，磷化銦市場(chǎng)參與者較少，且以少數(shù)幾家國(guó)外廠商為主，主要供應(yīng)商包括日本住友、日本能源、美國(guó)AXT(中國(guó)生產(chǎn))、法國(guó)InPact、英國(guó)WaferTech等，以上5家廠商占據(jù)了全球近80%的市場(chǎng)份額，如圖1 所示。國(guó)內(nèi)只有少數(shù)幾家公司，正在積極準(zhǔn)備進(jìn)入該市場(chǎng)，包括云南鍺業(yè)、先導(dǎo)稀材、中科晶電、東一晶體等。

圖1 磷化銦襯底生產(chǎn)廠商全球市場(chǎng)份額

　　目前，國(guó)內(nèi)除通美北京工廠外，尚沒(méi)有可批量生產(chǎn)單晶襯底的廠家。但傳統(tǒng)的砷化鎵、鍺單晶襯底廠家同樣注意到了該市場(chǎng)的機(jī)會(huì)，包括珠海鼎泰芯源公司、云南鍺業(yè)、先導(dǎo)稀材、中科晶電、東一晶體在內(nèi)的廠家正在積極布局。

　　國(guó)內(nèi)企業(yè)，云南鍺業(yè)處于西南，主營(yíng)業(yè)務(wù)為鍺礦和鍺材料加工貿(mào)易，技術(shù)底蘊(yùn)不足，不具備真正的技術(shù)創(chuàng)新和全工藝管控能力。先導(dǎo)稀材主營(yíng)業(yè)務(wù)是稀有金屬，在磷化銦方面投入的關(guān)注和資源十分有限。而中科晶電的磷化銦單晶技術(shù)處于起步階段且未見(jiàn)明顯進(jìn)展，該公司的砷化鎵單晶襯底核心技術(shù)主要來(lái)自于國(guó)外和國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)，公司自主研發(fā)能力有限。深圳東一晶體的產(chǎn)品技術(shù)水平仍有待客戶端確認(rèn)，同時(shí)其產(chǎn)業(yè)化和精細(xì)化管理能力有待時(shí)間驗(yàn)證。

　　光通信領(lǐng)域?yàn)橹髁魇袌?chǎng)，歐美國(guó)家需求最大

　　當(dāng)前市場(chǎng)上的磷化銦產(chǎn)品規(guī)格以2~4英寸為主，2寸占75%以上，隨著上游拉晶和下游應(yīng)用技術(shù)的逐步成熟，預(yù)計(jì)未來(lái)大尺寸產(chǎn)品比例將逐步提升。

　　根據(jù)市場(chǎng)公開(kāi)資料，2015年磷化銦的晶圓全球市場(chǎng)在140萬(wàn)片(折合2英寸)左右，總市場(chǎng)規(guī)模在15億~20億人民幣之間。測(cè)算來(lái)自行業(yè)公司財(cái)報(bào)數(shù)據(jù)，以通美公司(AXT)為例，其2015年磷化銦產(chǎn)品銷(xiāo)售額近2億元，總銷(xiāo)量14萬(wàn)片(折合2英寸)，而該公司占磷化銦產(chǎn)品10%~15%的全球市場(chǎng)份額。

　　根據(jù)區(qū)域又可劃分為大陸、中國(guó)臺(tái)灣、海外其他國(guó)家三個(gè)主要消費(fèi)市場(chǎng)。目前，由于國(guó)內(nèi)激光器外延廠家尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，襯底年用量總計(jì)在3萬(wàn)片左右，占全球總市場(chǎng)份額不足2%。而中國(guó)臺(tái)灣由于有聯(lián)亞光電等外延大廠，年需求近20萬(wàn)片，市場(chǎng)份額在14%左右。目前，光通訊用激光器的主要廠商仍在歐美，如Finisar、Oclaro等，磷化銦消費(fèi)市場(chǎng)份額接近85%。

　　目前，磷化銦單晶襯底80%的市場(chǎng)需求來(lái)自光通訊市場(chǎng)，受全球光通訊市場(chǎng)的高景氣度影響，其在光通訊市場(chǎng)的需求增長(zhǎng)將十分可觀。根據(jù)通美公司公開(kāi)財(cái)報(bào)資料，磷化銦業(yè)務(wù)在2013~2016年期間年均增速在40%以上。未來(lái)5年，隨著光通訊及紅外成像、微波尤其是5G的高速發(fā)展，保守估計(jì)，磷化銦襯底市場(chǎng)的年復(fù)合增速也應(yīng)達(dá)30%左右。且隨著3、4、6英寸襯底產(chǎn)品出貨量的增加，預(yù)計(jì)到2020~2021年，全球市場(chǎng)襯底需求量約為400萬(wàn)片/年(折合2英寸)。其中，歐美市場(chǎng)份額在80%左右，大陸和中國(guó)臺(tái)灣市場(chǎng)份額均在10%左右。

　　此外，高頻通信市場(chǎng)的磷化銦單晶襯底需求隨著5G、毫米波的推進(jìn)也有望高速增長(zhǎng)，且增速在40%~50%之間，可能高于光通訊市場(chǎng)。目前，由于國(guó)內(nèi)激光器外延廠商尚未大規(guī)模出貨，國(guó)內(nèi)年襯底用量總計(jì)在3萬(wàn)片左右，占總市場(chǎng)份額不足2%。但是隨著海信、光迅、仕佳等公司在光通訊芯片外延技術(shù)上缺的突破，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)有望在近年內(nèi)快速放量，襯底年均增長(zhǎng)率可能超過(guò)50%。中國(guó)臺(tái)灣及歐美市場(chǎng)仍主要依靠光通訊市場(chǎng)的擴(kuò)容，年增速將低于國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，預(yù)計(jì)在15%~30%之間。

　　結(jié)語(yǔ)

　　磷化銦半導(dǎo)體材料的應(yīng)用領(lǐng)域相對(duì)前沿，歐美國(guó)家對(duì)此重視程度高，投入大，技術(shù)發(fā)展相對(duì)成熟。日美英法企業(yè)壟斷約80%的全球市場(chǎng)份額，國(guó)內(nèi)企業(yè)自主研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化能力尚不能與國(guó)外企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)。光通信領(lǐng)域?yàn)橹髁魇袌?chǎng)，未來(lái)隨著5G商業(yè)化的加速，可能在高頻通信領(lǐng)域磷化銦半導(dǎo)體材料會(huì)迎來(lái)高速增長(zhǎng)。