化合物半導(dǎo)體因其優(yōu)良的高頻高壓特性，廣泛應(yīng)用于市場(chǎng)關(guān)注度較高的功率電力電子和微波射頻領(lǐng)域。然而與硅半導(dǎo)體不同的，還有其直接帶隙的特點(diǎn)，因此化合物半導(dǎo)體非常適合光電子領(lǐng)域。

 

主要應(yīng)用包括半導(dǎo)體照明(LED)、半導(dǎo)體激光器(LD)、太陽(yáng)能電池(SC)以及光電探測(cè)器(PD)，可用于制造超高速集成電路、激光器、光電以及抗輻射、耐高溫等器件，對(duì)國(guó)防、航天和高技術(shù)研究具有重要意義。

 

 

LED行業(yè)屬于技術(shù)推動(dòng)的成長(zhǎng)行業(yè)，核心技術(shù)為氮化鎵(GaN)/砷化鎵(GaAs)/碳化硅(SiC)等化合物半導(dǎo)體的MOCVD外延層生長(zhǎng)技術(shù)和芯片工藝。

 

20世紀(jì)90年代，高亮度氮化鎵基藍(lán)光發(fā)光二極管(GaN-LED)的誕生開(kāi)啟了半導(dǎo)體照明時(shí)代?；贚ED的半導(dǎo)體照明被認(rèn)為是21世紀(jì)最有可能進(jìn)入普通照明領(lǐng)域的一種新型固體冷光源和最具發(fā)展前景的高新技術(shù)領(lǐng)域之一。

 

GaN-LED具有發(fā)光效率高、節(jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng)、體積小等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)解決能源和環(huán)境問(wèn)題有顯著的效果，為此各國(guó)曾出臺(tái)相關(guān)政策支持GaN-LED發(fā)展，如美國(guó)的“國(guó)家半導(dǎo)體照明研究計(jì)劃”，日本的“21世紀(jì)照明研究發(fā)展計(jì)劃”，歐盟的“彩虹計(jì)劃”，韓國(guó)的“氮化鎵半導(dǎo)體研究計(jì)劃”。

 

我國(guó)政府同樣對(duì)此高度重視，相繼開(kāi)展”半導(dǎo)體照明工程"項(xiàng)目，以及“十二五"國(guó)家科技計(jì)劃新材料領(lǐng)域“半導(dǎo)體照明”和“第三代半導(dǎo)體材料”重點(diǎn)專項(xiàng)。目前國(guó)內(nèi)已形成完整的LED產(chǎn)業(yè)鏈，LED產(chǎn)能穩(wěn)居世界前列。

 

LED襯底主要包括藍(lán)寶石襯底(Al2O3)和砷化鎵襯底(GaAs)，藍(lán)寶石襯底主要生產(chǎn)藍(lán)綠光，砷化鎵襯底主要生產(chǎn)紅黃光。GaN-LED材料體系主要分為三種：GaN-on-Sapphire、GaN-on-SiC、GaN-on-Si。

 

GaN-on-Sapphire是最常用的，也是最為成熟的材料體系，大部分LED照明都是通過(guò)這種材料體系制造的；GaN-on-SiC制造成本較高，但由于散熱較好，非常適合制造低能耗、大功率照明器件；GaN-on-Si是3種材料體系中制造成本最低的。目前全球只有少部分廠商用Si或者SiC制作GaN-LED，例如晶能光電和CREE。

 

新型顯示、UV等新應(yīng)用，推動(dòng)GaN-LED外延片需求增加。以電視顯示屏來(lái)講，與普通LED相比，Mini LED(次毫米發(fā)光二極管)能夠更精準(zhǔn)的把握每一絲色彩變化，呈現(xiàn)出更加細(xì)膩、真實(shí)的電視畫(huà)面。普通LED芯片背光源數(shù)量較少，只有幾十顆，而Mini LED則有數(shù)萬(wàn)甚至數(shù)十萬(wàn)顆，雖然芯片尺寸減小，但是由于使用量上百倍的成長(zhǎng)，隨著Mini LED背光顯示滲透率的提升，Mini LED背光用的GaN-LED外延片需求量也將快速增長(zhǎng)。

 

Micro LED，即LED微縮化和矩陣化技術(shù)，作為顯示技術(shù)和LED發(fā)光技術(shù)結(jié)合的復(fù)合集成技術(shù)，Micro LED擁有自發(fā)光、高效率、低功耗、高集成、高穩(wěn)定性等諸多優(yōu)點(diǎn)，且能夠應(yīng)用于現(xiàn)有從小尺寸到大尺寸的任何顯示場(chǎng)景中。一旦商業(yè)化，對(duì)GaN-LED外延片的需求將更加巨大。

 

除了新型顯示應(yīng)用，UV LED亦是未來(lái)LED應(yīng)用的重點(diǎn)方向。2020年由于COVID-19的緣故，大眾殺菌、消毒的意識(shí)明顯上升，這將會(huì)推動(dòng)UV LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，促使GaN-LED外延片市場(chǎng)需求增長(zhǎng)。

 

據(jù)TrendForce集邦咨詢觀察，2019年中國(guó)大陸廠商GaN-LED外延片產(chǎn)能約3753萬(wàn)片/年（4英寸，下同），產(chǎn)量約2826萬(wàn)片/年，平均產(chǎn)能利用率約75%。行業(yè)自2019年末逐步回暖，外延片需求量逐步提升，但是受COVID-19的影響，2020年上半年大陸LED回暖情況不如預(yù)期，不過(guò)進(jìn)入3Q20以來(lái)，多家芯片廠產(chǎn)能開(kāi)滿，LED外延片需求量出現(xiàn)明顯回升，到4Q20，GaN-LED外延需求量達(dá)到290萬(wàn)片/月。

 

TrendForce集邦咨詢數(shù)據(jù)

 

GaN-LED仍然存在一些制造技術(shù)有待攻克，主要集中在異質(zhì)外延生長(zhǎng)、芯片制造等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，存在三個(gè)基本問(wèn)題：大失配異質(zhì)外延生長(zhǎng)的應(yīng)力調(diào)控與缺陷控制；高折射率、多光學(xué)界面體系中光子傳輸及其調(diào)控規(guī)律；新型器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

 

三安光電――國(guó)內(nèi)LED芯片+化合物半導(dǎo)體雙龍頭。目前，國(guó)內(nèi)包括華燦光電、干照光電、三安光電等LED企業(yè)都在積極布局化合物半導(dǎo)體。特別是三安光電，除了鞏固自身LED龍頭地位以外，在強(qiáng)化自己化合物半導(dǎo)體領(lǐng)軍企業(yè)的優(yōu)勢(shì)方面同樣意圖明顯。早在2014年便成立子公司三安集成，聚焦化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，營(yíng)收實(shí)現(xiàn)5年翻79倍，2020年在長(zhǎng)沙規(guī)劃投資160億打造SiC全產(chǎn)業(yè)鏈，目前項(xiàng)目已全面啟動(dòng)。

 

LED企業(yè)基于其自身對(duì)材料的理解，布局氮化鎵、砷化鎵等半導(dǎo)體材料行業(yè)，可以說(shuō)是近水樓臺(tái)。而受益于下游高端Mini/Micro LED以及UV等新應(yīng)用驅(qū)動(dòng)，化合物半導(dǎo)體需求將迎來(lái)大爆發(fā)。

 

 

2017年，iPhone X手機(jī)的結(jié)構(gòu)光人臉識(shí)別功能，帶動(dòng)3D傳感的爆發(fā)，打開(kāi)了VCSEL在電子消費(fèi)領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景。VCSEL（垂直腔面發(fā)射激光器）是一種化合物半導(dǎo)體激光器，從誕生起，就作為新一代光存儲(chǔ)和光通信的核心器件，廣泛應(yīng)用在消費(fèi)電子、工業(yè)控制、光通信等領(lǐng)域，目前已成為3D傳感的主要光源技術(shù)，包括面部識(shí)別、車用激光雷達(dá)（LiDAR）等。

 

按照激光芯片結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體激光器可以分為兩類：邊發(fā)射激光器和垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)。半導(dǎo)體激光器的常用材料主要有砷化鎵(GaAs)、硫化鎘(CdS)、磷化銦(InP)、硫化鋅(ZnS)、氮化鎵（GaN）等。下面來(lái)談?wù)劵衔锇雽?dǎo)體在半導(dǎo)體激光器中的關(guān)鍵應(yīng)用點(diǎn)：

 

01

 

光通信――InP是新一代40Gb/s光通信系統(tǒng)中必不可少的核心材料。

 

在光纖激光器中，其發(fā)射模塊的制備需要利用先進(jìn)的材料生長(zhǎng)技術(shù)和半導(dǎo)體工藝技術(shù)將激光器、調(diào)制器等光器件與相關(guān)的驅(qū)動(dòng)電路、放大電路等電子電路集成在同一芯片上――光電集成電路（OEIC）。

 

目前OEIC光發(fā)射器一般采用III-V族化合物半導(dǎo)體材料，其中以InP優(yōu)勢(shì)突出。相比GaAs材料，InP具有更高的轉(zhuǎn)換效率、一半的慣性能量時(shí)間常數(shù)、雙倍的工作效率極限以及更好的噪聲特性。在InP襯底上生長(zhǎng)的InGaAsP/InP雙異質(zhì)結(jié)激光器既能滿足晶格匹配，又能滿足1.3~1.6μm的波長(zhǎng)范圍要求，因此廣泛用于半導(dǎo)體光纖通信。

 

02 

激光雷達(dá)――GaN技術(shù)看得更遠(yuǎn)、更快、更清晰。

 

激光雷達(dá)的技術(shù)難題在于激光器難以在用短脈沖發(fā)射激光束的同時(shí)維持高峰值功率，這恰恰是確保激光雷達(dá)遠(yuǎn)程測(cè)距安全及高分辨的必要條件。

 

而光線式距離保持和測(cè)量功能（激光雷達(dá)）使用脈沖激光快速提供車輛周圍環(huán)境的高分辨率 360°三維圖像，GaN技術(shù)可使激光信號(hào)發(fā)送速度遠(yuǎn)高于同類Si MOSFET器件?；贕aN的激光雷達(dá)使自主駕駛車輛能夠看得更遠(yuǎn)、更快、更清晰，從而成為車輛眼睛。

 

03

 

光存儲(chǔ)――GaN技術(shù)提高光存儲(chǔ)密度。

 

與磁介質(zhì)存儲(chǔ)技術(shù)相比，光存儲(chǔ)具有壽命長(zhǎng)、非接觸式讀/寫(xiě)、信息位的價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。半導(dǎo)體激光器的成熟應(yīng)用，使得光存儲(chǔ)從最初的微縮照相發(fā)展成為快捷、方便、容量巨大的存儲(chǔ)技術(shù)，各種光ROM紛紛產(chǎn)生。

 

DVD的光存儲(chǔ)密度與作為讀寫(xiě)器件的半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)平方成正比，如果DVD使用GaN基短波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器，則其光存儲(chǔ)密度將比GaAs基半導(dǎo)體激光器提高4~5倍，因此寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)還將成為光存儲(chǔ)和處理的主流技術(shù)。

 

半導(dǎo)體激光器歐美企業(yè)起步較早，國(guó)內(nèi)企業(yè)規(guī)模相對(duì)較小。國(guó)際領(lǐng)先企業(yè)有美國(guó)的IPG光電、Coherent（相干，收購(gòu)德國(guó)羅芬）、nLight（恩耐）、II-VI（貳陸），德國(guó)的Trumpf（通快，收購(gòu)英國(guó)SPI公司），以及丹麥的NKTPhotonics等。國(guó)內(nèi)優(yōu)秀的激光器企業(yè)例如西安炬光、北京凱普林、山東浪潮華光等，但規(guī)模上相對(duì)較小。

 

這里要另外提到一家公司叫常州縱慧芯光，是中國(guó)第一家擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的VCSEL芯片公司，已進(jìn)入華為旗艦手機(jī)VCSEL供應(yīng)鏈。

 

半導(dǎo)體激光器產(chǎn)品正在從工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域向消費(fèi)應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展，3D感測(cè)成為手機(jī)品牌廠旗艦機(jī)在規(guī)格競(jìng)賽中的重要指標(biāo)，VCSEL市場(chǎng)規(guī)?？赡苡瓉?lái)爆發(fā)性的增長(zhǎng)，但競(jìng)爭(zhēng)也將進(jìn)一步加劇。據(jù)TrendForce集邦咨詢數(shù)據(jù)，隨著5G的帶動(dòng)，預(yù)估2021年3D感測(cè)用VCSEL總產(chǎn)值將達(dá)18億美元，年成長(zhǎng)達(dá)53%。

 

 

2021年中國(guó)將進(jìn)入“十四五”時(shí)期，光伏等可再生能源成為主導(dǎo)能源，“碳中和”是十四五期間乃至更長(zhǎng)時(shí)間維度的大級(jí)別確定性主題，而太陽(yáng)能電池便是實(shí)現(xiàn)“碳中和”的關(guān)鍵點(diǎn)之一。

 

化合物半導(dǎo)體材料在此廣泛用作太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)化薄膜，例如CdS，CdTe以及Ⅲ-V化合物半導(dǎo)體GaAs，AIPInP等，用這些半導(dǎo)體材料制成的薄膜太陽(yáng)能電池表現(xiàn)出很好光電轉(zhuǎn)化效率。

 

Cu(In,Ga)Se2是一種含銅銦鎵硒的四元直接能隙化合物，對(duì)光的吸收系數(shù)相當(dāng)高（僅1um厚的材料就可吸收99%以上光子），以它為基礎(chǔ)可以設(shè)計(jì)出光電轉(zhuǎn)換效率比Si明顯高的薄膜太陽(yáng)能電池，達(dá)到的光電轉(zhuǎn)化率為18%，在薄膜太陽(yáng)能電池中屬于世界的最高水平的光電轉(zhuǎn)化效率。

 

自《太陽(yáng)能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》發(fā)布以來(lái)，光伏產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)價(jià)格已降低了30%-40%，光伏平價(jià)上網(wǎng)加速推進(jìn)中。同時(shí)受下游光伏企業(yè)對(duì)光伏電池降本增效的需求，以及高效太陽(yáng)能電池片技術(shù)驅(qū)動(dòng)的影響，電池迎來(lái)需求浪潮。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，預(yù)測(cè)到2025年我國(guó)太陽(yáng)能電池產(chǎn)量將達(dá)到40367萬(wàn)千瓦，因此帶來(lái)的化合物半導(dǎo)體原材料需求非常巨大。

 

 

光電探測(cè)器(PD)是現(xiàn)代通信與傳感系統(tǒng)的關(guān)鍵元件，利用光電或光熱等效應(yīng)將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，在軍事和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域有著廣泛用途。在可見(jiàn)光或近紅外波段主要用于射線測(cè)量和探測(cè)、工業(yè)自動(dòng)控制、光度計(jì)量等，在紅外波段主要用于導(dǎo)彈制導(dǎo)、紅外熱成像、紅外遙感等方面。

 

用于制造光電探測(cè)器的半導(dǎo)體材料有很多，例如Si，Ge，Ⅱ-Ⅵ族和Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體。不同的半導(dǎo)體材料，因其禁帶寬度的差異所制成的光電探測(cè)器具有不同的靈敏度和截止波長(zhǎng)。Si、Ge、GaAs、InGaAsP是光通信中常見(jiàn)的探測(cè)器材料。

 

在波長(zhǎng)λ1um時(shí)，Ge是可供選擇的材料。

 

而Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體光探測(cè)器適合在1.3um和1.55um波段的光通信系統(tǒng)中使用，同時(shí)還可以調(diào)整組分，使吸收邊正好處在工作波段之外。例如GaN基紫外探測(cè)器可用于導(dǎo)彈預(yù)警、衛(wèi)星秘密通信、各種環(huán)境監(jiān)測(cè)、化學(xué)生物探測(cè)等領(lǐng)域。