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什么是第二代半导体？（光芯片？）

20世纪90年代以来，随着移动通信的飞速发展、以光纤通信为基础的信息高速公路和互联网兴起，以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）为代表的第二代半导体材料开始崭露头脚。

自发现第二代半导体材料以来，作为一种性能优良的半导体材料不断向硅提出挑战。GaAs (砷化镓)、InP (磷化铟)等材料适用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件，是制作高性能微波、亳米波器件及发光器件的优良材料。

第二代半导体材料是化合物半导体，包括多种III-V族化合物半导体。这些化合物中，商业半导体器件中用得最多的是砷化镓、磷化铟、磷砷化镓（GaAsP）、砷铝化镓（GaAlAs）和磷镓化铟（InGaP）。其中以砷化镓技术最成熟，应用也最广。

相对于硅基半导体材料，二代半导体材料在性质上有两大区别：

① 化合物半导体的电子迁移率较硅半导体快许多，因此适用于高频传输，在无线电通讯，如手机、基地台、无线区域网络、卫星通讯、卫星定位等皆有应用；

② 化合物半导体具有直接带隙，这是和硅半导体所不具备的，因此化合物半导体可适用发光领域，如发光二极管（LED）、激光二极管（LD）、光接收器（PIN）及太阳能电池等产品。可用于制造超高速集成电路、微波器件、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。

二代半导体材料适用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料，广泛应用于卫星通讯、移动通讯、光通信、GPS导航等领域。但是镓（地壳含量仅0.0015%）、铟（地壳含量仅0.001%）材料资源非常稀缺，导致价格昂贵。

InP是Ⅲ·V族化合物半导体材料家族中重要成员之一，它与GaAs一起担负起了第二代半导体的重任。

在Ge、Si第一代半导体发展和研究的同时，大家就对化合物半导体也开始了大量的探索工作。1952年 Welker等人发现Ⅲ族和v族元素形成的化合物也是半导体，而且某些化合物半导体如nP等具有Ge、Si所不具备的优越特性，可以在微波及光电器件领域有广泛的应用，因而开始引起人们对化合物半导体材料的广泛注意。但是，由于这些化合物中含有易挥发的V族元素，材料的制备远比Ge，Si困难。1962年Metz等人提出可以用液封直拉法(LEC)来制备化合物半1965-1968年 Mullin等人第一次用三氧化二硼做液封剂，用LEC法生长了lnP单晶材料，为以后生长大直径、高质量Ⅲ·V族单晶打下了基础。但由于nP在熔点温度1335±7K时磷的离解压为27.5大气压，因此InP多晶的合成、单晶生长都相对比较困难，另外lnP的堆垛层错能较低，容易产生孪晶，致使高质量的lnP单晶的制备更加困难。所以目前相同面积的lnP抛光片要比GaAs的贵3~5倍。因此对nP材料的研究要远滞后于Si、GaAs等材料。

与储、硅材料相比，化合物半导体InP具有直接带隙结构，高的电光转换效率，电子迁移率高，易于制成半绝缘材料，工作温度高(400-450℃)，强的抗辐射能力等许多优点。这些特性决定了lnP材料在固态发光、微波通信、光纤通信、制导/导航、卫星等民用和军事等领域的应用十分广阔。按照器件处理信号类型分主要包括三大类：

1、光电应用：主要用于光纤通信技术，包括入户光纤和数据中心传输，以及目前正在大力发展的5G移动网络等。mP就是生产光通讯中1mP基激光二极管LD)，发光二极管(LED)和光探测器等的关键材料，这些器件实现了光纤通信中信息的发射传播、放大、接收等功能。在nP单晶衬底上制备的 InGaAsP/InP， IngaAs/nP异质结材料所制备的13-16m光电器件已广泛用于光纤通信中。事实上，目前全球高速互联网就是建立在这些器件的基础上的

2、RF应用：主要用于毫米波通讯、防撞系统、图像传感器、无线应用、卫星通信、军用雷达等方面，InP半导体材料具有电子迁移率高及饱和载流子速率快，非常适用于高频RF器件，如高电子迁移率晶体管(HEMT)和异质结双极晶体管(HBT)等。这意味着用这种材料制作的器件能够放大更高频率或更短波长的信号，利用InP芯片制造的接收机和放大器可以获得100GHZ以上的频率

3、光伏电池应用：InP的带宽在14eV附近，因此可以制成高转换效率的太阳能电池。并由于其具有高抗辐射性能被用于空间卫星的太阳能电池。InP基的太阳能电池目前报道最高可以获得44.7%的转化效率。

1980年代HEMT技术和应用的迅速发展以及光纤通信事业的大发展，光电器件的走红，太阳能电池的大量需求，极大地推动了与这些技术密切相关的InP材料的研究和发展。

根据Yole测算,2021年全球2英寸InP衬底需求达到约400万片,4英寸InP衬底需求约105万片。到2024年，IP市场规模将达到1.72亿美元，年复合年增长率为14%。5G时代光通信行业迎来快速发展,5G基站网络结构的变化增加对光模块的需求，激光器和探测器是光模块的关键光电器件，产能有望扩张，进一步带动光通信核心半导体材料nP需求的增长。因此nP在5G时代(毫米波频段应用)将成为终端设备以及基站设备前端射频器件的核心半导体材料，迎来更大市场空间。目前磷化铟衬底90%市场份额被国外厂商垄断，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(法国 In Pact，英国 Wafer Tech)的公司市占率各10%和5%。

lnP基光子集成电路(PC)及lnP基Tz技术将是lnP新的发展方向和市场增长点。前者将在光通信、 Lidar、传感及医学诊断领域带来很多创新性应用；后者将对6G通信提供强有力的技术支撑，并且在大气传感及人体安检领域带来巨大市场。

本文转自公众号：半导体设计咨询