InP技术成就光通信

材料深一度 · 2018-12-04
当今的互联网用光纤光缆实现数据高速传输,仅有用磷化铟(InP)材料制造的激光器发出的光在光纤中可实现无损耗传输。本期1°姐将为大家介绍InP材料的具体特性、应用及产业链的情况。

导读

当今的互联网用光纤光缆实现数据高速传输,仅有用磷化铟(InP)材料制造的激光器发出的光在光纤中可实现无损耗传输。本期1°姐将为大家介绍InP材料的具体特性、应用及产业链的情况。

磷化铟材料特性

磷化铟(InP)是重要的III-V族化合物半导体之一,具有电子迁移率高、耐辐射性能好、禁带宽度达等优点,意味着这种材料制作的期间能够放大更高频率或者更短波长的信号。因此利用磷化铟芯片制造的卫星接收器和放大器可以工作在100GHz以上的极高频率,并且稳定性很高。与砷化镓半导体材料相比,它具有更高的击穿电场和热导率,同时电子迁移率更高。

磷化铟材料助力光通信技术

InP是一种直接带隙材料,可用于制造吸收或发射光纤通信光谱中两种最佳波长(即1310和1550 nm波)的单一或集成器件。而光通信中所用的石英光纤最小损耗波长是1310~1550nm,因此,这是两种波长是光纤通讯的两个主要窗口,前者用于短距离局域通信网,后者用于长距离高速率的光通信系统。

因为这些光通信系统中必须的III-V族三元合金(如InGaAs光电探测器)、四元合金等器件(如InGaAsP激光器)在这个波长范围,而InP单晶与这些合金晶格匹配。因此InP就是生产光通讯中InP基激光二极管(LD)、发光二极管(LED)和光电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、接受等功能。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。当今的互联网用光纤光缆实现数据高速传输,仅有用InP材料制造的激光器发出的光在光纤中可实现无损耗传输。

光通信器件主要采用InP基材料,波长单色性很好的InP基激光器、调制器、探测器及其模块已广泛应用于光通信,从而推动数据传输的飞速发展。基于InP的半导体激光器主要是边发射激光器,有分布式反馈激光(DFB)、电吸收调制激光器(EML)两种类型,DFB可实现速率在25G及以下,传输距离为10KM,适用于数据中心、城域网及接入网;EML可实现速率在50G及以下,可传输距离在80KM以内,主要适用于骨干网、城域网及DCI互联。

InP也非常适用于高频器件,如高电子迁移率晶体管(HEMT)和异质结双极晶体管(HBT)等。因为与InP晶格匹配的InGaAs外延层的载流子浓度和电子迁移率非常高,超过与GaAs晶格匹配的AlGaAs,这些作为高频器件的InP基器件在超过十几赫兹的频率范围又很大的应用前景。因此InP基器件在毫米波通讯、图像传感等新的领域也又广泛应用。

同时,磷化铟带宽在1.4eV附近,因此可以制成高转换效率的太阳能电池。

磷化铟材料及器件市场前景广大

上游市场及企业:

InP广泛运用于光通信和毫米波通信领域。以目前最大的应用市场光通信领域为例,磷化铟晶圆是整个链条最前段。磷化铟晶圆生产出来后,在此基础上涂材料实现“外延”后提供给了芯片商,然后在制造商手中成为光器件,在设备商手上被研制成为光系统,最后运用于中国移动、联通、电信、华为等企业的大数据中心。

磷化铟从原材料到晶锭,再成为一块2英寸或4英寸的晶圆,成品率一般在28%左右,技术门槛不是一般的高。磷化铟晶圆尺寸越大,价值越高。2英寸的晶圆,市场价格近1000元,4英寸晶圆的市场价格则在6000元左右。但晶圆尺寸越大,技术难度也越高。全世界能够成功控制磷化铟生长技术的公司并不多。

目前,日本住友是这个行业的老大,占据着60%的市场,美国通美占15%,英法的公司各占10%和5%。据了解,目前磷化铟晶圆每年市场份额约20亿元,预计未来五年的年增长率在40%以上。而国内能够生产磷化铟晶圆的企业并不多,珠海鼎泰芯源公司掌握30项专利和正在申请的10项专利,保证了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。

中游企业(主要为生产磷化铟激光器器件的企业):

安华高(avago):公司是一家设计、研发并向全球客户广泛提供各种模拟半导体设备的供应商,公司主要提供复合 III-V 半导体产品。

朗美通(Lumentum):为全球光网络和商用激光器用户提供创先的光学方案、领先的光电产品的市场领导者。

MACOM:与传统的半导体制造相似,MACOM专有的蚀刻面技术 (EFT) 也允许晶圆级测试。EFT可实现激光器的高成品率、高性能且更可靠。依托InP技术,在市场上独领风骚,成为激光器等光子器件及高速调制器驱动器等光电子产品的首要供应商。

索尔思光电(Source Photonics):是一家集创新能力与高可靠性一体的全球领先光通讯技术供应商,致力于数据中心、城域网和接入网的通讯连接。公司发明的下一代解决方案为客户带来了可靠的光通讯技术,帮助客户响应全球云基础设施、无线通讯、路由和FTTP快速增长的需求。

三安集成电路:提供专用的大批量6英寸GaAs和2英寸/ 4英寸InP化合物半导体代工服务,以满足大规模、快速增长的市场需求。

福建中科光芯光电:公司已经建成并投用了两条集MOCVD外延生长、芯片工艺及自动封装测试老化的生产线,目前公司包括FP、DFB、PIN、APD、SLED芯片和器件等产品的已经实现量产,产品性能也得到了业内多家大中型组件及模块制造商的肯定。

长光华芯光电:激光产品高功率,寿命长, 波长全, 式样多。波长范围从GaAs(635nm – 1000nm) 到InP (1300nm – 1700nm). 功率连续输出每10mm阵列高达100W,准连续输出功率高达100W。

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首发于微信公众号:材料深一度

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