第二代半導體Inp
失效分析趙工 半導體工程師 2021-12-16 08:18
InP是Ⅲ·V族化合物半導體材料家族中重要成員之一，它與GaAs一起擔負起了
第二代半導體的重任。在Ge、Si第一代半導體發展和研究的同時，大家就對化合物半導體也開始了大量的探索工作。1952年 Welker等人發現Ⅲ族和v族元素形成的化合物也是半導體，而且某些化合物半導體如nP等具有Ge、Si所不具備的優越特性，可以在微波及光電器件領域有廣泛的應用，因而開始引起人們對化合物半導體材料的廣泛注意。但是，由於這些化合物中含有易揮發的V族元素，材料的製備遠比Ge，Si困難。1962年Metz等人提出可以用液封直拉法(LEC)來製備化合物半1965-1968年 Mullin等人第一次用三氧化二硼做液封劑，用LEC法生長了lnP單晶材料，為以後生長大直徑、高質量Ⅲ·V族單晶打下了基礎。但由於nP在熔點溫度1335±7K時磷的離解壓為27.5大氣壓，因此InP多晶的合成、單晶生長都相對比較困難，另外lnP的堆垛層錯能較低，容易產生孿晶，致使高質量的lnP單晶的製備更加困難。所以目前相同面積的lnP拋光片要比GaAs的貴3~5倍。因此對nP材料的研究要遠滯後於Si、GaAs等材料。
與儲、矽材料相比，化合物半導體nP具有直接帶隙結構，高的電光轉換效率，電子遷移率高，易於製成半絕緣材料，工作溫度高(400-450℃)，強的抗輻射能力等許多優點。這些特性決定了lnP材料在固態發光、微波通訊、光纖通訊、制導/導航、衛星等民用和軍事等領域的應用十分廣闊。按照器件處理訊號型別分主要包括三大類：
1、光電應用：主要用於光纖通訊技術，包括入戶光纖和資料中心傳輸，以及目前正在大力發展的5G行動網路等。mP就是生產光通訊中1mP基鐳射二極體LD)，發光二極體(LED)和光探測器等的關鍵材料，這些器件實現了光纖通訊中資訊的發射傳播、放大、接收等功能。在nP單晶襯底上製備的 InGaAsP/InP， IngaAs/nP異質結材料所製備的13-16m光電器件已廣泛用於光纖通訊中。事實上，目前全球高速網際網路就是建立在這些器件的基礎上的
2、RF應用：主要用於毫米波通訊、防撞系統、影象感測器、無線應用、衛星通訊、軍用雷達等方面，InP半導體材料具有電子遷移率高及飽和載流子速率快，非常適用於高頻RF器件，如高電子遷移率電晶體(HEMT)和異質結雙極電晶體(HBT)等。這意味著用這種材料製作的器件能夠放大更高頻率或更短波長的訊號，利用InP晶片製造的接收機和放大器可以獲得100GHZ以上的頻率
3、光伏電池應用：InP的頻寬在14eV附近，因此可以製成高轉換效率的太陽能電池。並由於其具有高抗輻射效能被用於空間衛星的太陽能電池。InP基的太陽能電池目前報道最高可以獲得44.7%的轉化效率。
1980年代HEMT技術和應用的迅速發展以及光纖通訊事業的大發展，光電器件的走紅，太陽能電池的大量需求，極大地推動了與這些技術密切相關的mP材料的研究和發展。
根據Yole測算,2021年全球2英寸hnP襯底需求達到約400萬片,4英寸hP襯
底需求約105萬片。到2024年，IP市場規模將達到1.72億美元，年複合年增長率為14%。5G時代光通訊行業迎來快速發展,5G基站網路結構的變化增加對光模組的需求，鐳射器和探測器是光模組的關鍵光電器件，產能有望擴張，進一步帶動光通訊核心半導體材料nP需求的增長。因此nP在5G時代(毫米波頻段應用)將成為終端裝置以及基站裝置前端射頻器件的核心半導體材料，迎來更大市場空間。目前磷化銦襯底90%市場份額被國外廠商壟斷，日本住友是行業龍頭，佔據著全球60%市場份額，美國通美市佔率15%，英法(法國 In Pact，英國 Wafer Tech)的公司市佔率各10%和5%。
lnP基光子積體電路(PC)及lnP基Tz技術將是lnP新的發展方向和市場增長點。前者將在光通訊、 Lidar、感測及醫學診斷領域帶來很多創新性應用；後者將對6G通訊提供強有力的技術支撐，並且在大氣感測及人體安檢領域帶來巨大市場。
文：陸敏
半導體工程師
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