注册

【材料/设备】除了功率和射频,化合物半导体还有哪些发展契机?

来源:化合物半导体市场    原作者:Rany    

化合物半导体因其优良的高频高压特性,广泛应用于市场关注度较高的功率电力电子和微波射频领域。然而与硅半导体不同的,还有其直接带隙的特点,因此化合物半导体非常适合光电子领域。

主要应用包括半导体照明(LED)、半导体激光器(LD)、太阳能电池(SC)以及光电探测器(PD),可用于制造超高速集成电路、激光器、光电以及抗辐射、耐高温等器件,对国防、航天和高技术研究具有重要意义。

1.半导体照明(LED)

LED行业属于技术推动的成长行业,核心技术为氮化镓(GaN)/砷化镓(GaAs)/碳化硅(SiC)等化合物半导体的MOCVD外延层生长技术和芯片工艺。

20世纪90年代,高亮度氮化镓基蓝光发光二极管(GaN-LED)的诞生开启了半导体照明时代。基于LED的半导体照明被认为是21世纪最有可能进入普通照明领域的一种新型固体冷光源和最具发展前景的高新技术领域之一。

GaN-LED具有发光效率高、节能、环保、寿命长、体积小等优点,对解决能源和环境问题有显著的效果,为此各国曾出台相关政策支持GaN-LED发展,如美国的“国家半导体照明研究计划”,日本的“21世纪照明研究发展计划”,欧盟的“彩虹计划”,韩国的“氮化镓半导体研究计划”。

我国政府同样对此高度重视,相继开展”半导体照明工程"项目,以及“十二五"国家科技计划新材料领域“半导体照明”和“第三代半导体材料”重点专项。目前国内已形成完整的LED产业链,LED产能稳居世界前列。

LED衬底主要包括蓝宝石衬底(Al2O3)和砷化镓衬底(GaAs),蓝宝石衬底主要生产蓝绿光,砷化镓衬底主要生产红黄光。GaN-LED材料体系主要分为三种:GaN-on-Sapphire、GaN-on-SiC、GaN-on-Si。

GaN-on-Sapphire是最常用的,也是最为成熟的材料体系,大部分LED照明都是通过这种材料体系制造的;GaN-on-SiC制造成本较高,但由于散热较好,非常适合制造低能耗、大功率照明器件;GaN-on-Si是3种材料体系中制造成本最低的。目前全球只有少部分厂商用Si或者SiC制作GaN-LED,例如晶能光电和CREE。

新型显示、UV等新应用,推动GaN-LED外延片需求增加。以电视显示屏来讲,与普通LED相比,Mini LED(次毫米发光二极管)能够更精准的把握每一丝色彩变化,呈现出更加细腻、真实的电视画面。普通LED芯片背光源数量较少,只有几十颗,而Mini LED则有数万甚至数十万颗,虽然芯片尺寸减小,但是由于使用量上百倍的成长,随着Mini LED背光显示渗透率的提升,Mini LED背光用的GaN-LED外延片需求量也将快速增长。

Micro LED,即LED微缩化和矩阵化技术,作为显示技术和LED发光技术结合的复合集成技术,Micro LED拥有自发光、高效率、低功耗、高集成、高稳定性等诸多优点,且能够应用于现有从小尺寸到大尺寸的任何显示场景中。一旦商业化,对GaN-LED外延片的需求将更加巨大。

除了新型显示应用,UV LED亦是未来LED应用的重点方向。2020年由于COVID-19的缘故,大众杀菌、消毒的意识明显上升,这将会推动UV LED产业的发展,促使GaN-LED外延片市场需求增长。

TrendForce集邦咨询观察,2019年中国大陆厂商GaN-LED外延片产能约3753万片/年(4英寸,下同),产量约2826万片/年,平均产能利用率约75%。行业自2019年末逐步回暖,外延片需求量逐步提升,但是受COVID-19的影响,2020年上半年大陆LED回暖情况不如预期,不过进入3Q20以来,多家芯片厂产能开满,LED外延片需求量出现明显回升,到4Q20,GaN-LED外延需求量达到290万片/月。

GaN-LED仍然存在一些制造技术有待攻克,主要集中在异质外延生长、芯片制造等关键环节,存在三个基本问题:大失配异质外延生长的应力调控与缺陷控制;高折射率、多光学界面体系中光子传输及其调控规律;新型器件结构设计。

三安光电——国内LED芯片+化合物半导体双龙头。目前,国内包括华灿光电、乾照光电、三安光电等LED企业都在积极布局化合物半导体。特别是三安光电,除了巩固自身LED龙头地位以外,在强化自己化合物半导体领军企业的优势方面同样意图明显。早在2014年便成立子公司三安集成,聚焦化合物半导体产业,营收实现5年翻79倍,2020年在长沙规划投资160亿打造SiC全产业链,目前项目已全面启动。

LED企业基于其自身对材料的理解,布局氮化镓、砷化镓等半导体材料行业,可以说是近水楼台。而受益于下游高端Mini/Micro LED以及UV等新应用驱动,化合物半导体需求将迎来大爆发。

2.半导体激光器(LD)

2017年,iPhone X手机的结构光人脸识别功能,带动3D传感的爆发,打开了VCSEL在电子消费领域的广阔应用前景。VCSEL(垂直腔面发射激光器)是一种化合物半导体激光器,从诞生起,就作为新一代光存储和光通信的核心器件,广泛应用在消费电子、工业控制、光通信等领域,目前已成为3D传感的主要光源技术,包括面部识别、车用激光雷达(LiDAR)等。

按照激光芯片结构,半导体激光器可以分为两类:边发射激光器和垂直腔面发射激光器(VCSEL)。半导体激光器的常用材料主要有砷化镓(GaAs)、硫化镉(CdS)、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)、氮化镓(GaN)等。下面来谈谈化合物半导体在半导体激光器中的关键应用点:

光通信——InP是新一代40Gb/s光通信系统中必不可少的核心材料。在光纤激光器中,其发射模块的制备需要利用先进的材料生长技术和半导体工艺技术将激光器、调制器等光器件与相关的驱动电路、放大电路等电子电路集成在同一芯片上——光电集成电路(OEIC)。

目前OEIC光发射器一般采用III-V族化合物半导体材料,其中以InP优势突出。相比GaAs材料,InP具有更高的转换效率、一半的惯性能量时间常数、双倍的工作效率极限以及更好的噪声特性。在InP衬底上生长的InGaAsP/InP双异质结激光器既能满足晶格匹配,又能满足1.3~1.6μm的波长范围要求,因此广泛用于半导体光纤通信。

激光雷达——GaN技术看得更远、更快、更清晰。

激光雷达的技术难题在于激光器难以在用短脉冲发射激光束的同时维持高峰值功率,这恰恰是确保激光雷达远程测距安全及高分辨的必要条件。

而光线式距离保持和测量功能(激光雷达)使用脉冲激光快速提供车辆周围环境的高分辨率 360°三维图像,GaN技术可使激光信号发送速度远高于同类Si MOSFET器件。基于GaN的激光雷达使自主驾驶车辆能够看得更远、更快、更清晰,从而成为车辆眼睛。

光存储——GaN技术提高光存储密度。

与磁介质存储技术相比,光存储具有寿命长、非接触式读/写、信息位的价格低等优点。半导体激光器的成熟应用,使得光存储从最初的微缩照相发展成为快捷、方便、容量巨大的存储技术,各种光ROM纷纷产生。

DVD的光存储密度与作为读写器件的半导体激光器的波长平方成正比,如果DVD使用GaN基短波长半导体激光器,则其光存储密度将比GaAs基半导体激光器提高4~5倍,因此宽禁带半导体技术还将成为光存储和处理的主流技术。

半导体激光器欧美企业起步较早,国内企业规模相对较小。国际领先企业有美国的IPG光电、Coherent(相干,收购德国罗芬)、nLight(恩耐)、II-VI(贰陆),德国的Trumpf(通快,收购英国SPI公司),以及丹麦的NKTPhotonics等。国内优秀的激光器企业例如西安炬光、北京凯普林、山东浪潮华光等,但规模上相对较小。

这里要另外提到一家公司叫常州纵慧芯光,是中国第一家拥有自主知识产权的VCSEL芯片公司,已进入华为旗舰手机VCSEL供应链。

半导体激光器产品正在从工业应用领域向消费应用领域扩展,3D感测成为手机品牌厂旗舰机在规格竞赛中的重要指标,VCSEL市场规模可能迎来爆发性的增长,但竞争也将进一步加剧。据TrendForce集邦咨询数据,随着5G的带动,预估2021年3D感测用VCSEL总产值将达18亿美元,年成长达53%。

3.太阳能电池(SC)

2021年中国将进入“十四五”时期,光伏等可再生能源成为主导能源,“碳中和”是十四五期间乃至更长时间维度的大级别确定性主题,而太阳能电池便是实现“碳中和”的关键点之一。

化合物半导体材料在此广泛用作太阳能光电转化薄膜,例如CdS,CdTe以及Ⅲ-V化合物半导体GaAs,AIPInP等,用这些半导体材料制成的薄膜太阳能电池表现出很好光电转化效率。

Cu(In,Ga)Se2是一种含铜铟镓硒的四元直接能隙化合物,对光的吸收系数相当高(仅1um厚的材料就可吸收99%以上光子),以它为基础可以设计出光电转换效率比Si明显高的薄膜太阳能电池,达到的光电转化率为18%,在薄膜太阳能电池中属于世界的最高水平的光电转化效率。

自《太阳能发展“十三五”规划》发布以来,光伏产业链各环节价格已降低了30%-40%,光伏平价上网加速推进中。同时受下游光伏企业对光伏电池降本增效的需求,以及高效太阳能电池片技术驱动的影响,电池迎来需求浪潮。相关数据表明,预测到2025年我国太阳能电池产量将达到40367万千瓦,因此带来的化合物半导体原材料需求非常巨大。

4.光电探测器(PD)

光电探测器(PD)是现代通信与传感系统的关键元件,利用光电或光热等效应将光信号转化为电信号,在军事和国民经济的各个领域有着广泛用途。在可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等,在红外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面。

用于制造光电探测器的半导体材料有很多,例如Si,Ge,Ⅱ-Ⅵ族和Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体。不同的半导体材料,因其禁带宽度的差异所制成的光电探测器具有不同的灵敏度和截止波长。Si、Ge、GaAs、InGaAsP是光通信中常见的探测器材料。

在波长λ<1um的波段内,Si是目前广泛使用的探测器材料;在λ>1um时,Ge是可供选择的材料。

而Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体光探测器适合在1.3um和1.55um波段的光通信系统中使用,同时还可以调整组分,使吸收边正好处在工作波段之外。例如GaN基紫外探测器可用于导弹预警、卫星秘密通信、各种环境监测、化学生物探测等领域。

总而言之,化合物半导体在光电子领域潜力无穷,未来随着材料工艺的不断成熟,其核心地位将愈发凸显,在摩尔定律即将走向终结的背景下,化合物半导体无疑为集成电路的发展开辟出一条全新的道路。

封面图片来源:拍信网