磷化化合物半导体专题：电信 数通拉动光模块需求，磷化铟蓄势待发

化合物半导体专题电信+数通拉动光模块需求磷化铟蓄势待发

化合物半导体磷化铟(InP) 电学性质优越

磷化铟是第二代半导体材料广泛应用于光通信、集成电路等领域。 5G时代技术革新带来以磷化铟 InP 、砷化镓GaAs为代表的第二代半导体材料的蓬勃发展。半导体材料按照物理性质可以划分三代分别是以Si、 Ge为代表的第一代 InP、 GaAs为代表的第二代 GaN、 SiC为代表的第三代。磷化铟

 InP是一种I I I~V族化合物 闪锌矿型晶体结构 晶格常数为5.87×10-10 m禁带宽度为1 .34 eV常温下迁移率为3000~4500cm2/(V.S)。 InP晶体具有饱和电子漂移速度高、抗辐射能力强、导热性好、光电转换效率高等诸多优点被广泛应用于光通信、高频毫米波器件、光电集成电路和外层空间用太阳电池等领域。未来组件需求将以高速、高频与高功率等特性链接5G通讯、车用电子与光通讯领域的应用第二、三代化合物半导体有望突破硅半导体摩尔定律。

磷化铟半导体电学性能突出

磷化铟 InP和砷化镓GaAs相比 电学等物理性质优势突出在半导体光通信领域应用占据优势。 1 磷化铟具有高电子峰值漂移速度、高禁带宽度、高热导率等优点。 InP的直接跃迁带隙为1 .35eV对应光通信中传输损耗最小的波段热导率高于

G a As散热性能更好。 2磷化铟在器件制作中比GaAs更具优势。 InP器件高电流峰谷比决定了器件的高转换效率 InP惯性能量时间常数是GaAs的一半工作效率极限高出GaAs器件一倍 InP器件具有更好的噪声特性。 3磷化铟 InP作为衬底材料主要有以下应用途径。光电器件包括光源LED和探测器

APD雪崩光电探测器等主要用于光纤通信系统集成激光器、光探测器和放大器等是光电集成电路是新一代40Gb/s通信系统必不可少的部件。

磷化铟材料光电领域应用占优

磷化铟应用涵盖光纤通信、光电器件、医疗及传感等多种领域。 目前主要应用于1)用于光纤通信技术。在磷化铟单晶衬底上制备的InGaAsP/InP InGaAs/InP异质结材料所制备的1 .3~1 .6μm光源和探测器已广泛用于光纤通信中 2)材料在光电器件方面得到广泛应用。

磷化铟单晶制备技术壁垒高

能够使单晶批量化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和垂直布里奇曼法VB 。美国AXT公司和日本住友分别使用VGF和VB技术可以生长出直径150mm的磷化铟单晶 日本住友使用VB法制备的直径4英寸掺Fe半绝缘单晶

衬底可以批量生产。 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。 中国磷化铟制备技术与国际水平仍有较大差距 国内企业产能规模较小大尺寸磷化铟晶片生产能力不足。

磷化铟光通信产业链上游国外垄断有待突破产业链全球分工明确 国内衬底市场占比不足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。

上游衬底公司 国外垄断格局显著 国内企业追赶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

Wafe rTech等 以上5家厂商占据了全球近80%的市场份额。

国内开展磷化铟单晶材料的研究工作已经超过30年但磷化铟单晶生长技术的研究规模、项目支持力度和投入较小与国际水平还存在较大差距。 目前 国内除通美北京工厂外 尚没有可批量生产单晶衬底的厂家。但传统的砷化镓、锗单晶衬底厂家同样注意到了该市场的机会包括珠海鼎泰芯源公司、云南锗业、先导稀材、中科晶电、东一晶体在内的厂家正在积极布局。 目前由于国内激光器外延厂家尚未实现大规模生产磷化铟衬底占全球总市场份额不足2%。

中游器件公司激光器欧美企业起步较早光模块中国市占率高

激光器欧美企业起步较早 国内企业规模相对较小。 公司规模来看 国外激光器企业体量较大 国内激光器企业仍有差距。欧洲和美国在激光领域起步较早技术上具备领先优势 时至今日许多知名激光器企业已经发展壮大如美国的IPG光电、 Coherent 相干收购德国罗芬 、 nLight 恩耐 、 I I-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有锐科激光、创鑫激光、杰普特等但规模上相对较小。

光模块产业链全球分工明确 国内厂商占据较大市场份额。 欧美日等发达国家技术起步较早在芯片和产品研发方面拥有较大技术优势。 中国在技术方面起步晚没有实现技术独立的优势但是凭借劳动力优势、市场规模以及电信设备商的扶持光模块在产业链中游占据较大市场份额从OEM、 ODM发展为多个全球市占率领先的光模块品牌。光迅科技、 中际旭创、华工正

源等企业占据全球19%光模块市场份额。产业链分工有效利用了全球优势生产要素并避免了重复研发有利于全球产业链高效运转。

下游云厂商亚马逊市占率全球首位阿里巴巴追赶

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。

IDC/5G驱动光模块需求迅增磷化铟材料蓄势待发

电信+数通拉动产业链上下游需求增长

5G时代光通信行业的发展主要带动光模块需求增长。 由于现代通信都是由光纤光缆传输而终端发送和接收都是电信号所以两端都需要有光电信号的转换装置——光模块。光模块如今大量应用于通信行业和数据中心行。 5G使用的网络架构相比4G增加了中传环节前传、 中传、 回传之间均采用光模块实现互联。光模块需求升级带动激光器产能的扩张。光通信过程中发射端将电信号转换成光信号经过调制由激光器发射激光传向接收端接收端将光信号转换成电信号经过解调变成信息。其中光电芯片以其光电信号转换功能占据关键地位。一是成本占比高光芯片和电芯片分别占光模块成本50%、 20%也就是光模块成本有7成是芯片二是技术壁垒高光模块的核心技术就在于芯片尤其是光芯片光芯片的技术决定光模块的性能。