磷化銦是磷和銦的化合物，磷化銦作為半導(dǎo)體材料具有優(yōu)良特性。使用磷化銦襯底制造的半導(dǎo)體器件，具備飽和電子漂移速度高、發(fā)光波長適宜光纖低損通信、抗輻射能力強(qiáng)、導(dǎo)熱性好、光電轉(zhuǎn)換效率高、禁帶寬度較高等特性，因此磷化銦襯底可被廣泛應(yīng)用于制造光模塊器件、傳感器件、高端射頻器件等。文章為了讓大家能夠更多的了解磷化銦，分了三個部分介紹磷化銦，首先，文章介紹磷化銦的基本屬性、制備方法以及研究難點(diǎn)；其次，文章介紹磷化銦的現(xiàn)有市場格局、主要生產(chǎn)商家以及市場占比等等；最后，文章以磷化銦的整體產(chǎn)業(yè)鏈介紹收尾，介紹磷化銦的材料生產(chǎn)端、器件制造端以及終端應(yīng)用端等等，望大家悉知一些磷化銦的問題。

材料屬性

（一）基本介紹

磷化銦（InP）是一種重要的化合物半導(dǎo)體材料，其具有飽和電子漂移速度高、抗輻射能力強(qiáng)、導(dǎo)熱性好、光電轉(zhuǎn)換效率高、禁帶寬度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，磷化銦具有閃鋅礦型晶體結(jié)構(gòu)，禁帶寬度為1.34eV，常溫下遷移率為3000—4500 cm² /(V.S)，被廣泛應(yīng)用于光通信、高頻毫米波器件、光電集成電路和外層空間用太陽電池等領(lǐng)域。以上的材料屬性，使用磷化銦襯底制造的半導(dǎo)體器件，因其特殊的材料特性，被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)射頻器件、光模塊、LED（Mini LED及Micro LED）、激光器、探測器、傳感器、太空太陽能電池等器件，在5G通信、數(shù)據(jù)中心、新一代顯示、人工智能、無人駕駛、可穿戴設(shè)備、航天等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用空間。

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InP 材料時速度快，因此利用磷化銦芯片制造的衛(wèi)星信號接收機(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。因此，磷化銦是一種比砷化鎵更先進(jìn)的半導(dǎo)體材料, 有可能推動衛(wèi)星通信業(yè)向更高頻段發(fā)展。

磷化銦（InP）和砷化鎵（GaAs）相比，電學(xué)等物理性質(zhì)優(yōu)勢突出，在半導(dǎo)體光通信領(lǐng)域應(yīng)用占據(jù)優(yōu)勢。作為同比材料的砷化鎵，磷化銦有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：（1）磷化銦具有高電子峰值漂移速度、高禁帶寬度、高熱導(dǎo)率等優(yōu)點(diǎn)。InP 的直接躍遷帶隙為1.34eV，對應(yīng)光通信中傳輸損耗最小的波段；熱導(dǎo)率高于GaAs，散熱性能更好；（2）磷化銦在器件制作中比GaAs更具優(yōu)勢。InP器件高電流峰谷比決定了器件的高轉(zhuǎn)換效率；InP慣性能量時間常數(shù)是GaAs的一半，工作效率極限高出GaAs器件一倍；InP器件具有更好的噪聲特性；（3）磷化銦（InP）作為襯底材料主要有以下應(yīng)用途徑。光電器件，包括光源（LED）和探測器（APD雪崩光電探測器）等，主要用于光纖通信系統(tǒng)；集成激光器、光探測器和放大器等，是光電集成電路是新一代40Gb/s通信系統(tǒng)必不可少的部件。文章介紹了其廣泛的應(yīng)用場景，其中值得說明的是由于文章作者資料以及認(rèn)知的有限性，雖然介紹了諸多的應(yīng)用場景但是不可否認(rèn)的是對于這種新型材料的認(rèn)識以及場景的應(yīng)用作者是完全概括不全的，在諸多領(lǐng)域作者存在介紹不全、介紹不充分的情況，望知悉！

圖一、磷化銦的主要應(yīng)用領(lǐng)域

（二）磷化銦制備的幾種方法

（1）磷化銦多晶的合成技術(shù)

銦的熔點(diǎn)為1070℃，在此溫度下，磷化銦材料有很高的離解壓，熔點(diǎn)下的離解壓為 2.75MPa，根據(jù) Antoine 飽和蒸汽壓與和溫度之間的函數(shù)關(guān)系公式lgP = A-B/( T+C) 計算，在此條件下，磷蒸汽壓已超過了10MPa，遠(yuǎn)大于磷化銦的離解壓，所以將磷和銦直接在單晶爐內(nèi)合成磷化銦單晶是非常困難的，所以一般是將高純銦和高純磷通過多晶合成，合成磷化 銦多晶料，然后再用磷化銦多晶料進(jìn)行磷化銦單晶生長。

用高壓單晶爐制備磷化銦單晶是最主要的方法，并用摻等電子雜質(zhì)的方法降低晶體的位錯密度。而氣相外延，多采用In-PCl3-H2系統(tǒng)的歧化法，在該工藝中用銦(99.9999%)和三氯化磷（99.999%）之間的反應(yīng)來生長磷化銦層。

（2）溶質(zhì)擴(kuò)散法

溶質(zhì)擴(kuò)散法( SSD) 是最早用于磷化銦多晶合成方法，是 在 900℃ ～ 1000℃ 通過磷蒸汽在銦的熔體中擴(kuò)散，然后反應(yīng) 生成磷化銦多晶的方法。由于其生長溫度低，可減少晶體中 Si 雜質(zhì)對磷化銦多晶體的玷污，提高了晶體的純度，有效提 高晶體的載流子濃度，載流子濃度可以達(dá)到 1014cm^-3 的水平。但是與其他方法相比，多晶一次合成量少，合成速度慢，從而 導(dǎo)致生產(chǎn)成本高，無法滿足工業(yè)批量生產(chǎn)的需要，目前基本已被淘汰。

（3）原位直接合成法

原位直接合成法包括: 磷蒸汽注入法；液態(tài)磷液封法；高壓直接合成法。原位直接合成的一種方法是在同一坩堝中放置銦和磷，然后在坩堝頂部蓋一個加熱罩。當(dāng)對此區(qū)域加熱到一定溫度后，坩堝中的磷先變成磷蒸汽，然后磷蒸汽加熱分解到這個壁后溫度降低，形成液態(tài)的磷。當(dāng)達(dá)到一定量的時候，液態(tài)的磷滴到銦熔體中并與銦熔體進(jìn)行瞬間反應(yīng)，直到全部的銦熔體跟液態(tài)的磷合成轉(zhuǎn)化為磷化銦熔體。但是，坩堝中固態(tài)紅磷加熱后固液轉(zhuǎn)化過程中，會有大量的磷揮發(fā)，從而導(dǎo)致很難使用石英觀察窗進(jìn)行晶體生長的觀察。隨著檢測技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)采用了 X 射線掃描技術(shù)，來觀察籽晶接觸和生長情況。雖說解決了晶體生長的監(jiān)控，但 是這種方法會造成較多磷的浪費(fèi)，也會將紅磷轉(zhuǎn)化為白磷，白磷劇毒，燃點(diǎn)較低容易自燃，所以工藝成本過大，危險性也較高。

（4）VNG法

VNG方法是制備磷化銦的一張重要方法，其相較其他方法而言VGF法的先進(jìn)之處如下：**，在單晶直徑上，目前HB法生長的單晶直徑**一般是3英寸，LEC 法生長的單晶直徑**可以到12英寸，但是使用LEC法生長單晶晶體設(shè)備投入成本高，且生長的晶體不均勻且位錯密度大。目前VGF法和VB法生長的單晶直徑**可達(dá)8英寸，生長的晶體較為均勻且位錯密度較低；第二，在單晶質(zhì)量上，相較其他方法VGF法生長的晶體位錯密度低且生產(chǎn)效率穩(wěn)定；第三，在生產(chǎn)成本上，HB法的成本最低，LEC法的成本最高，VB法和VGF法生產(chǎn)的產(chǎn)品性能類似，但是VGF法取消了機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)，能以更低成本穩(wěn)定生產(chǎn)單晶。

圖二、單晶晶體制備圖

注：中信證券研究所

通過以上制備之后，磷化銦的工業(yè)化制備流程還包括化合物半導(dǎo)體生產(chǎn)過程中的通識部分，比如拉晶、滾圓、切割、研磨、蝕刻、拋光、清洗等工藝；半導(dǎo)體外延片生產(chǎn)過程主要為在拋光片的基礎(chǔ)上進(jìn)行外延生長等等。從磷化銦材料到磷化銦器件以及終端應(yīng)用，還包括襯底——器件——終端應(yīng)用這樣一個流程。其主要類型以及參照標(biāo)準(zhǔn)可以詳看下圖：

圖三、磷化銦主要類型以及參照標(biāo)準(zhǔn)

注：來源于Yole

（5）研究難點(diǎn)

目前研究的重點(diǎn)主要集中在以下幾個方面：**，發(fā)展InP多晶的直接合成技術(shù)，簡化合成工藝、降低成本；第二，發(fā)展大直徑InP單晶制備技術(shù)，減少孿晶，提高成晶率降低成本；第三，降低大直徑InP單晶的位錯密度。除采 用垂直梯度凝固技術(shù)(VGF)和汽壓可控直拉(VCz)等工藝外，改善熱場結(jié) 構(gòu)，減少熱應(yīng)力，控制摻雜條件等工藝措施也可以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)；第四，完善 4英寸的InP晶片制備技術(shù)。尤其是改善材料表面質(zhì)量；第五，提高半絕緣InP 單晶片的熱穩(wěn)定性，減少摻雜劑Fe的使用量。

現(xiàn)有競爭格局

磷化銦單晶制備技術(shù)壁壘高，能夠使單晶批量化生長的技術(shù)主要有高壓液封直拉法（LEC）、垂直溫度梯度凝固法（VGF）和垂直布里奇曼法（VB）。美國 AXT 公司和日本住友分別使用VGF和VB技術(shù)可以生長出直徑150mm的磷化銦單晶，日本住友使用VB法制備的直徑4英寸摻Fe半絕緣單晶襯底可以批量生產(chǎn)。VGF 生產(chǎn)技術(shù)要求晶體表面翹曲度小于 15微米，位錯水平越低越好。中國磷化銦制備技術(shù)與國外仍有較大差距，國內(nèi)企業(yè)產(chǎn)能規(guī)模較小，大尺寸磷化銦晶片生產(chǎn)能力不足。

但是，受益于下游市場需求的增加，磷化銦襯底材料市場規(guī)模將持續(xù)擴(kuò)大。根據(jù)Yole預(yù)測，2026 年全球磷化銦襯底（折合二英寸）預(yù)計銷量為128.19萬片，2019-2026 年復(fù)合增長率為14.40%；2026年全球磷化銦襯底市場規(guī)模為2.02億美元，2019-2026年復(fù)合增長率為 12.42%，下圖為磷化銦市場預(yù)測圖。

圖四、磷化銦市場發(fā)展預(yù)測

注：來源于Yole

國內(nèi)開展磷化銦單晶材料的研究工作已經(jīng)超過30年，但磷化銦單晶生長技術(shù)的研究規(guī)模、項目支持力度和投入較小，與國外還存在較大差距。目前，國內(nèi)除通美北京工廠外，尚沒有可批量生產(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的機(jī)會，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。目前，由于國內(nèi)激光器外延廠家尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，磷化銦襯底占全球總市場份額不足2%。

磷化銦產(chǎn)業(yè)鏈上游為晶體生長、襯底和外延片的生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)。從襯底生產(chǎn)的原材料和設(shè)備來看，其中原材料包括金屬銦、紅磷、坩堝等；生產(chǎn)設(shè)備涉及晶體生長爐、研磨機(jī)、拋光機(jī)、切割機(jī)、檢測與測試設(shè)備等。產(chǎn)業(yè)鏈中游包括集成電路設(shè)計、制造和封測環(huán)節(jié)。產(chǎn)業(yè)鏈下游應(yīng)用主要涉及光通信、無人駕駛、人工智能、可穿戴設(shè)備等多個領(lǐng)域。

磷化銦產(chǎn)業(yè)鏈上游企業(yè)包括襯底廠商及外延廠商，如北京通美、日本 JX、Sumitomo 及其他國內(nèi)襯底廠商以及 IQE、臺灣聯(lián)亞光電、臺灣全新光電、II-VI、臺灣英特磊等外延廠商，器件領(lǐng)域包括 Finisar、Lumentum、AOI、Mitsubishi 等企業(yè)，下游主機(jī)廠商包括華為、中興、Nokia、Cisco 等企業(yè)，終端應(yīng)用包括中國移動、中國電信、中國聯(lián)通、騰訊、阿里巴巴、Apple、Google、Amazon、Meta 等企業(yè)。

從市場格局來看，磷化銦襯底材料市場頭部企業(yè)集中度很高，主要供應(yīng)商包括Sumitomo、北京通美、日本 JX 等。Yole數(shù)據(jù)顯示，2020年全球前三大廠商占據(jù)磷化銦襯底市場90%以上市場份額，其中Sumitomo為全球**大廠商，占比為 42%；北京通美位居第二，占比 36%。

（一）美國ATX

美國晶體技術(shù)有限公司（AXT, Inc.）， 為美國硅谷高新技術(shù)公司，成立于1986年，1998年NASDAQ上市，股票代碼AXTI。公司主要從事包括砷化鎵、磷化銦等在內(nèi)的Ⅲ-Ⅴ族化合物及單晶鍺半導(dǎo)體襯底材料的制造，產(chǎn)品主要應(yīng)用于無線光纖通訊、紅外光學(xué)、射線及光探測器、航天太陽能等領(lǐng)域，遠(yuǎn)銷到歐洲、美洲、日本、韓國、新加坡、臺灣等地區(qū)，位居行業(yè)三甲。

AXT作為一家世界領(lǐng)軍級化合物半導(dǎo)體襯底制造商，全面投資砷化鎵，磷化銦等化合物半導(dǎo)體生產(chǎn)上下游領(lǐng)域，直接控股和參股十家相關(guān)企業(yè)。北京博宇為其下屬控股子公司之一。

（二）法國InPACT

法國InPACT S.A的研究人員利用FEMAG/CZ軟件模擬分析了InP晶體的液封提拉法生長（liquid-encapsulated Czochralski，LEC）過程以及研究降低InP位錯密度的途徑。他們在傳統(tǒng)LEC生長單晶工藝中，通過加入熱屏，改變生長爐結(jié)構(gòu)以降低晶體生長中的熱梯度。

法國InPACT S.A的研究人員利用FEMAG/CZ軟件模擬分析了InP晶體的液封提拉法生長（liquid-encapsulated Czochralski，LEC）過程以及研究降低InP位錯密度的途徑。他們在傳統(tǒng)LEC生長單晶工藝中，通過加入熱屏，改變生長爐結(jié)構(gòu)以降低晶體生長中的熱梯度。這些熱屏的形狀通過FEMAG/CZ的傳熱與熱應(yīng)力的全局?jǐn)?shù)值模擬優(yōu)化得到。通過優(yōu)化，熱應(yīng)力減少了50%，位錯密度顯著降低（在2英寸夾雜鐵晶體的上部，從50,000/cm降30,000/cm）。他們也發(fā)現(xiàn)，減小熔體中的熱梯度（從12K/cm降為6K/cm）將導(dǎo)致界面的脫穩(wěn)（對于夾雜錫晶體，該效應(yīng)將更為顯著）。

產(chǎn)業(yè)鏈分布

磷化銦產(chǎn)業(yè)鏈上游為晶體生長、襯底和外延片的生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)。從襯底生產(chǎn)的原材料和設(shè)備來看，其中原材料包括金屬銦、紅磷、坩堝等；生產(chǎn)設(shè)備涉及晶體生長爐、研磨機(jī)、拋光機(jī)、切割機(jī)、檢測與測試設(shè)備等。產(chǎn)業(yè)鏈中游包括集成電路設(shè)計、制造和封測環(huán)節(jié)。產(chǎn)業(yè)鏈下游應(yīng)用主要涉及光通信、無人駕駛、人工智能、可穿戴設(shè)備等多個領(lǐng)域。詳情見下圖四。

圖五、磷化銦產(chǎn)業(yè)鏈分布

注：圖片來源于北京通美晶體技術(shù)有限公司官網(wǎng)

接下來，文章會依此分類介紹磷化銦的產(chǎn)業(yè)鏈。

（一）上游材料設(shè)備端：磷化銦單晶、磷化銦襯底等

磷化銦單晶材料、磷化銦襯底處于產(chǎn)業(yè)鏈上游，80%市場份額被國外廠商壟斷。目前，日本住友是行業(yè)龍頭，占據(jù)著全球60%市場份額，美國通美市占率15%，英法的公司市占率各10%和5%。目前，國內(nèi)襯底年用量總計在3萬片左右，占全球總市場份額不足2%。國內(nèi)能夠生產(chǎn)磷化銦晶圓的企業(yè)較少，珠海鼎泰芯源公司掌握 30 項專利，正在申請的專利有10項，磷化銦長晶率可達(dá)到40%-50%。而公司背后的技術(shù)團(tuán)隊和技術(shù)支撐是中科院。目前鼎泰芯源已經(jīng)掌握了2英寸到6英寸晶圓的生產(chǎn)技術(shù)。

磷化銦襯底材料處于光通信產(chǎn)業(yè)鏈上游，國外壟斷格局明顯。目前，由于在磷化銦單晶生長設(shè)備和技術(shù)方面存在較高壁壘，磷化銦市場參與者較少，且以少數(shù)幾家國外廠商為主，主要供應(yīng)商包括日本住友、日本能源、美國AXT(中國生產(chǎn))、法國 InPact、英國 WaferTech 等，以上5家廠商占據(jù)了全球近80%的市場份額。

（二）中游器件生產(chǎn)端：包括光模塊器件、傳感器件、射頻器件

光模塊是光通信的核心器件，是通過光電轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)設(shè)備間信息傳輸?shù)慕涌谀K，主要應(yīng)用于通信基站和數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域。磷化銦襯底用于制造光模塊中的激光器和接收器。5G 通信是具有高速率、低時延和大連接特點(diǎn)的新一代寬帶移動通信技術(shù)。5G基站對光模塊的使用量顯著高于4G基站，隨著5G基站建設(shè)的大規(guī)模鋪開，疊加5G基站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化，將極大帶動對光模塊需求的增長。根據(jù)Yole統(tǒng)計，2025年全球電信光模塊（包括5G通信市場）市場規(guī)模將從2019年的37億美元提升至56億美元，2019-2025年復(fù)合增長率為 7.15%。

由于磷化銦具備飽和電子漂移速度高、導(dǎo)熱性好、光電轉(zhuǎn)換效率高、禁帶寬度較高等特性，使用磷化銦襯底制造的可穿戴設(shè)備具備脈沖響應(yīng)好、信噪比好等特性。因此，磷化銦襯底可被用于制造可穿戴設(shè)備中的傳感器，用于監(jiān)測心率、血氧濃度、血壓甚至血糖水平等生命體征。此外，使用磷化銦襯底制造的激光傳感器可以發(fā)出不損害視力的不可見光，可應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）眼鏡、汽車?yán)走_(dá)等產(chǎn)品中。

磷化銦襯底在制造高頻高功率器件、光纖通信、無線傳輸、射電天文學(xué)等射頻器件領(lǐng)域存在應(yīng)用市場。使用磷化銦襯底制造的射頻器件（以下簡稱“磷化銦基射頻器件”）已在衛(wèi)星、雷達(dá)等應(yīng)用場景中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。磷化銦基射頻器件在雷達(dá)和通信系統(tǒng)的射頻前端、模擬/混合信號寬帶寬電路方面具有較強(qiáng)競爭力，適合高速數(shù)據(jù)處理、高精度寬帶寬A/D轉(zhuǎn)換等應(yīng)用。此外，磷化銦基射頻器件相關(guān)器件如低噪聲放大器、模塊和接收機(jī)等器件還被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、毫米波雷達(dá)、有源和無源毫米波成像等設(shè)備中。在100 GHz以上的帶寬水平，使用磷化銦基射頻器件在回程網(wǎng)絡(luò)和點(diǎn)對點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)的無線傳輸方面具有明顯優(yōu)勢，未來在6G通信甚至7G通信無線傳輸網(wǎng)絡(luò)中，磷化銦襯底將有望成為射頻器件的主流襯底材料。

（三）下游終端應(yīng)用銷售端：云廠商亞馬遜、阿里等等

從全球云計算市場份額來看，美國廠商占據(jù)主導(dǎo)地位，亞馬遜是唯一的行業(yè)龍頭，阿里云躋身第四位。根據(jù)Gartner的統(tǒng)計，2019 年亞馬遜、微軟、谷歌三家美國廠商在2019年占72%的市場份額。亞馬遜以45%的市場份額位于全球首位，第二、三、四分別是占據(jù)17.9%市場的微軟、占據(jù) 9.1%市場的谷歌和占據(jù)5.3%市場的阿里云。

注：文章部分?jǐn)?shù)據(jù)作者根據(jù)官方公布數(shù)據(jù)進(jìn)行了一定程度上的基礎(chǔ)處理；所有圖片來源均已注明來源，比如北京通美、Yole等。此外，文章的公司排名與公司實(shí)力無關(guān)，不帶有作者的主觀觀點(diǎn)，僅為一個介紹前后問題，同時，因作者資料有限，如有介紹不當(dāng)之處，作者現(xiàn)在此表示歉意！請知悉。