何为磷化铟，它有未来吗？

来源：半导体行业观察内容（ID：icbank）作者：姚东来，谢谢。

磷化锆是磷和锆的化合物，磷化锆作为半导体材料具有优良的特性。磷化锆内衬 ** 制造的半导体设备具有饱和电子漂移速度高、发光波长适用于光纤低损伤通信、抗辐射能力强、导热性好、光电转换效率高、禁带宽度高等特点。因此，磷化锆衬底可广泛应用于制造光模块设备、传感设备、高端射频设备等。为了让大家更多地了解磷化锆，文章分为三部分介绍了磷化锆。首先，介绍了磷化锆的基本属性、制备方法和研究难点；其次，介绍了现有的市场格局、主要制造商和市场和市场份额；最后，介绍了的整体产业链，介绍了材料生产端、设备制造端和终端应用端，希望大家了解一些磷化镓的问题。

材料属性

(一)基本介绍

磷化铟（InP）它是一种重要的化合物半导体材料，具有饱和电子漂移速度高、抗辐射能力强、导热性好、光电转换效率高、禁带宽度高等优点。磷化锆具有闪锌矿晶体结构，禁带宽度为1.34eV，常温下迁移率为3000-4500 cm2 /(V.S)，广泛应用于光通信、高频毫米波设备、光电集成电路、外部空间太阳能电池等领域。上述材料属性采用磷化锆衬 **由于其特殊的材料特性， 制造的半导体应用于射频器件、光模块的生产LED（Mini LED及Micro LED）、5.G在通信、数据中心、新一代显示、人工智能、无人驾驶、可穿戴设备、航天等领域有着广阔的应用空间。

磷化锆半导体材料具有宽禁带结构，电子通过InP 材料速度快，所以磷化镓芯片制成的卫星信号接收器和放大器可以工作100GHz以上频率高，带宽宽大，受外界影响小，稳定性高。因此，磷化镓是一种比砷化镓更先进的半导体材料，可能会促进卫星通信产业向更高频段的发展。

磷化铟（InP）和砷化镓（GaAs）与电学等物理优势相比，在半导体光通信领域具有突出的应用优势。磷化镓作为一种同比材料，具有电子峰值漂移速度高、禁带宽度高、导热率高等优点。InP 直接跳跃带间隙为1.34eV，对应光通信中传输损耗最小的波段；热导率高于GaAs，散热性能好；(2)磷化镓在设备生产中优于GaAs更具优势。InP高电流峰谷比决定了设备的高转换效率；InP惯性能量时间常数为GaAs一半的工作效率极高GaAs器件一倍；InP该装置具有更好的噪声特性；(3)磷化锆（InP）以下应用方法主要用作衬底材料。光电器件，包括光源（LED）和探测器（APD雪崩光电探测器)主要用于光纤通信系统；集成激光器、光探测器和放大器是新一代40Gb/s通信系统的重要组成部分。本文介绍了其广泛的应用场景，值得注意的是，由于作者数据和认知的有限性，虽然介绍了许多应用场景，但不可否认的是对新材料的理解和场景应用作者完全总结不完整，在许多领域作者介绍不完整，介绍不足，希望知道！

图1、磷化镓的主要应用领域

(二)磷化锆制备的几种方法

(1)磷化锆多晶合成技术

铟的熔点为1070℃，在这种温度下，磷化锆材料具有较高的离解压，熔点下的离解压为 2.75MPa，根据 Antoine 饱和蒸汽压与温度之间的函数关系公式lgP = A-B/( T C) 在这种情况下，磷蒸汽压已超过10MPa，它远远大于磷化镓的离解压，因此很难直接在单晶炉中合成磷化镓单晶。因此，一般采用多晶合成高纯锆和高纯磷，合成磷化镓多晶料，然后用磷化镓多晶料生长磷化镓单晶。

磷化锆单晶是用高压单晶炉制备的主要方法，晶体的位错密度是通过掺入等电子杂质来降低的。气相外延多采用In-PCl3-H在这个过程中，2系统的歧化法使用锆(99.三氯化磷(9999%).磷化镓层生长在999%)之间的反应。

（2）溶质扩散法

溶质扩散法( SSD) 是第一种磷化锆多晶合成方法， 在 900℃ ～ 1000℃ 通过磷蒸汽在锆熔体中扩散，然后反应 产生磷化锆多晶。由于其生长温度低，晶体中的 可以减少Si 杂质污染磷化镓多晶体，提高晶体纯度，有效提高 晶体载流子浓度，可达到 1014cm-3 水平。但与其他方法相比，多晶一次合成量少，合成速度慢，导致生产成本高，不能满足工业批量生产的需要，基本被淘汰。

(3)原位直接合成法

原位直接合成方法包括： 磷蒸汽注入法、液体磷液密封法、高压直接合成法。原位直接合成的一种方法是将锆和磷放置在同一坩埚中，然后在坩埚顶部覆盖一个加热罩。当该区域加热到一定温度时，坩埚中的磷首先变成磷蒸汽，然后将磷蒸汽加热分解到壁中，形成液体磷。当达到一定量时，液体磷滴入锆熔体中，并立即与锆熔体反应，直到所有锆熔体与液体磷合成为磷化锆熔体。然而，在坩埚中固体红磷加热后的固体液体转化过程中，会有大量的磷挥发，使石英观察窗难以观察晶体生长。随着检测技术的进步，现在使用了 X 射线扫描技术观察籽晶的接触和生长。虽然解决了晶体生长的监测，但 ** 造成更多磷的浪费，也会将红磷转化为白磷，白磷剧毒，燃点低，易自燃，工艺成本过高，风险高。

（4）VNG法

VNG与其他方法相比，该方法是制备磷化锆的重要方法VGF法律的先进性如下:一是单晶直径，目前HB法生长的最大单晶直径一般为3英寸，LEC 单晶直径最大可达12英寸，但使用LEC单晶晶体设备投入成本高，晶体不均匀，位错密度高。VGF法和VB单晶直径最大可达8英寸，晶体均匀，位错密度低；其次，与其他方法相比，单晶质量VGF晶 法生长** 密度低，生产效率稳定；三是生产成本，HB法律成本最低，LEC法律成本最高，VB法和VGF法生产的产品性能相似，但VGF该方法取消了机械传动结构，以更低的成本稳定生产单晶。

图2.单晶晶体制备图

注：中信证券研究所

磷化镓的工业化制备过程还包括化合物半导体生产过程中的一般部分，如晶体拉伸、、切割、研磨、蚀刻、抛光、清洗等工艺；半导体外延片的生产工艺主要是在抛光片的基础上进行外延生长。从磷化锆材料到磷化锆设备和终端应用，还包括衬底-设备-终端应用。其主要类型和参考标准如下：

图3、磷化锆的主要类型及参考标准

注：来源于Yole

(5)研究难点

目前，研究的重点主要集中在以下几个方面：一是发展InP二是发展大直径InP单晶制备技术，降低双晶，提高成晶率，降低成本；第三，降低大直径InP单晶位错密度。除 垂直梯度凝固技术外(VGF)可控直可控直拉(VCz)此目标还可以通过改善热场结构、降低热应力、控制掺杂条件等工艺措施来实现；第四，改进 4英寸InP晶片制备技术。特别是提高材料表面质量；五是提高半绝缘InP 单晶片的热稳定性降低了掺杂剂Fe的使用量。

现有的竞争格局

磷化锆单晶制备技术壁垒高，能使单晶批量生长的技术主要有高压液封直拉法（LEC）、垂直温度梯度凝固法（VGF）垂直布里奇曼法（VB）。美国 AXT 公司和日本居民分别使用VGF和VB直径150的技术可以生长mm日本居民使用磷化镓单晶VB法律制备的直径为4英寸Fe半绝缘单晶衬底可批量生产。VGF 生产技术要求晶体表面翘曲度小于 15微米，位错水平越低越好。我国磷化锆制备技术与国际水平仍存在较大差距，国内企业生产能力小，大型磷化锆晶片生产能力不足。

然而，由于下游市场需求的增加，磷化锆衬底材料的市场规模将继续扩大。Yole预计2026年全球磷化锆衬底销量为128.2019-2026年复合增长率为14万片.40%；2026年全球磷化镓衬底市场规模为20.2019-2026年复合增长率为02亿美元 12.42%，下图为磷化铟市场预测图。

图4、磷化镓市场发展预测

注：来源于Yole

磷化镓单晶材料在中国已经研究了30多年，但磷化镓单晶生长技术的研究规模、项目支持和投资较小，与国际水平仍存在较大差距。目前，除通美北京工厂外，国内还没有可以批量生产单晶衬底的厂家。然而，传统的砷化镓和锗单晶衬底制造商也注意到了市场机遇，包括珠海鼎泰芯源公司、云南锗业、先导稀材料、中科晶电和东一晶体。目前，由于国内激光外延厂家尚未实现大规模生产，磷化镓衬底占全球总市场份额的不到2%。

磷化锆产业链上游是晶体生长、衬底和外延板的生产加工环节。从衬底生产的原材料和设备来看，原材料包括金属锆、红磷、坩埚等。；生产设备包括晶体生长炉、研磨机、抛光机、切割机、检测和测试设备等。产业链中游包括集成电路设计、制造和密封测试。产业链下游应用主要涉及光通信、无人驾驶、人工智能、可穿戴设备等领域。

磷化铟产业链上游企业包括衬底厂商及外延厂商，如北京通美、日本 JX、Sumitomo 等国内衬底制造商IQE、台湾联亚光电，台湾新光电，II-VI、台湾英特雷等外延制造商包括 Finisar、Lumentum、AOI、Mitsubishi华为、中兴等下游主机制造商Nokia、Cisco 中国移动、中国电信、中国联通、腾讯、阿里巴巴等企业的终端应用Apple、Google、A ** zon、Meta 等企业。

从市场格局来看，磷化锆衬底材料市场龙头企业集中度高，主要供应商包括Sumitomo、北京通美，日本 JX 等。Yole数据显示，2020年，世界前三大厂商占据了90%以上市场90%以上的市场份额，其中Sumitomo是世界上最大的厂商，比例为 42%；北京通美排名第二，比例为 36%。

（一）美国ATX

美国晶体技术有限公司（AXT,Inc.），硅谷高新技术公司成立于1986年，1998年NASDAQ上市，股票代码AXTI。公司主要从事砷化镓、磷化镓等工作Ⅲ-Ⅴ制造民族化合物和单晶锗半导体衬底材料，产品主要用于无线光纤通信、红外光学、光探测器、太阳能等领域，出口到欧洲、美国、日本、韩国、新加坡、台湾等地区，位居行业前三。

AXT作为世界领先的化合物半导体** 制造商全面投资砷化镓、磷化镓等化合物半导体的上下游生产，直接控制和参与十家相关企业。北京博宇是其子公司之一。

（二）法国InPACT

法国InPACT S.A利用研究人员FEMAG/CZ软件模拟分析InP晶体液封提拉法生长（liquid-encapsulated Czochralski，LEC）减少过程和研究InP位错密度的方法。它们是传统的LEC生长单晶工艺中，通过加入热屏，改变生长炉结构以降低晶体生长中的热梯度。

法国InPACT S.A利用研究人员FEMAG/CZ软件模拟分析InP晶体的液封提拉法生长（liquid-encapsulated Czochralski，LEC）减少过程和研究InP位错密度的方法。它们是传统的LEC在单晶生长过程中，通过添加热屏来改变生长炉的结构，以降低晶体生长中的热梯度。这些热屏的形状是通过FEMAG/CZ传热和热应力的全局数值模拟优化得到了优化。通过优化，热应力降低50%，位错密度显著降低(在2英寸夹杂铁晶体的上部，从5万/cm降30,000/cm）。他们还发现熔体中的热梯度降低(从12)K/cm降为6K/cm）会导致界面脱稳(对于混合锡晶体，效果会更明显)。

产业链分布

磷化锆产业链上游是晶体生长、衬底和外延板的生产加工环节。从衬底生产的原材料和设备来看，原材料包括金属锆、红磷、坩埚等。；生产设备包括晶体生长炉、研磨机、抛光机、切割机、检测和测试设备等。产业链中游包括集成电路设计、制造和密封测试。产业链下游应用主要包括光通信、无人驾驶、人工智能、可穿戴设备等领域。详情见下图四。

图五、磷化铟产业链分布

注：图片来源于北京通美晶体技术有限公司官网

接下来，文章会依此分类介绍磷化铟的产业链。

（一）上游材料设备端：磷化铟单晶、磷化铟衬底等

磷化铟单晶材料、磷化铟衬底处于产业链上游，80%市场份额被国外厂商垄断。目前，日本住友是行业龙头，占据着全球60%市场份额，美国通美市占率15%，英法的公司市占率各10%和5%。目前，国内衬底年用量总计在3万片左右，占全球总市场份额不足2%。国内能够生产磷化铟晶圆的企业较少，珠海鼎泰芯源公司掌握 30 项专利，正在申请的专利有10项，磷化铟长晶率可达到40%-50%。而公司背后的技术团队和技术支撑是中科院。目前鼎泰芯源已经掌握了2英寸到6英寸晶圆的生产技术。

磷化铟衬底材料处于光通信产业链上游，国外垄断格局明显。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。

（二）中游器件生产端：包括光模块器件、传感器件、射频器件

光模块是光通信的核心器件，是通过光电转换来实现设备间信息传输的接口模块，主要应用于通信基站和数据中心等领域。磷化铟衬底用于制造光模块中的激光器和接收器。5G 通信是具有高速率、低时延和大连接特点的新一代宽带移动通信技术。5G基站对光模块的使用量显著高于4G基站，随着5G基站建设的大规模铺开，叠加5G基站网络结构的变化，将极大带动对光模块需求的增长。根据Yole统计，2025年全球电信光模块（包括5G通信市场）市场规模将从2019年的37亿美元提升至56亿美元，2019-2025年复合增长率为 7.15%。

由于磷化铟具备饱和电子漂移速度高、导热性好、光电转换效率高、禁带宽度较高等特性，使用磷化铟衬 ** 造的可穿戴设备具备脉冲响应好、信噪比好等特性。因此，磷化铟衬底可被用于制造可穿戴设备中的传感器，用于监测心率、血氧浓度、血压甚至血糖水平等生命体征。此外，使用磷化铟衬 ** 造的激光传感器可以发出不损害视力的不可见光，可应用于虚拟现实（VR）眼镜、汽车雷达等产品中。

磷化铟衬底在制造高频高功率器件、光纤通信、无线传输、射电天文学等射频器件领域存在应用市场。使用磷化铟衬 ** 造的射频器件（以下简称“磷化铟基射频器件”）已在卫星、雷达等应用场景中表现出优异的性能。磷化铟基射频器件在雷达和通信系统的射频前端、模拟/混合信号宽带宽电路方面具有较强竞争力，适合高速数据处理、高精度宽带宽A/D转换等应用。此外，磷化铟基射频器件相关器件如低噪声放大器、模块和接收机等器件还被广泛应用于卫星通信、毫米波雷达、有源和无源毫米波成像等设备中。在100 GHz以上的带宽水平，使用磷化铟基射频器件在回程网络和点对点通信网络的无线传输方面具有明显优势，未来在6G通信甚至7G通信无线传输网络中，磷化铟衬底将有望成为射频器件的主流衬底材料。

（三）下游终端应用销售端：云厂商亚马逊、阿里等等

从全球云计算市场份额来看，美国厂商占据主导地位，亚马逊是唯一的行业龙头，阿里云跻身第四位。根据Gartner的统计，2019 年亚马逊、微软、谷歌三家美国厂商在2019年占72%的市场份额。亚马逊以45%的市场份额位于全球首位，第二、三、四分别是占据17.9%市场的微软、占据 9.1%市场的谷歌和占据5.3%市场的阿里云。

注：文章部分数据作者根据官方公布数据进行了一定程度上的基础处理；所有图片来源均已注明来源，比如北京通美、Yole等。此外，文章的公司排名与公司实力无关，不带有作者的主观观点，仅为一个介绍前后问题，同时，因作者资料有限，如有介绍不当之处，作者现在此表示歉意！请知悉。