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

 

主要應用包括半導體照明(LED)、半導體激光器(LD)、太陽能電池(SC)以及光電探測器(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，對國防、航天和高技術研究具有重要意義。

 

 

LED行業(yè)屬于技術推動的成長行業(yè)，核心技術為氮化鎵(GaN)/砷化鎵(GaAs)/碳化硅(SiC)等化合物半導體的MOCVD外延層生長技術和芯片工藝。

 

20世紀90年代，高亮度氮化鎵基藍光發(fā)光二極管(GaN-LED)的誕生開啟了半導體照明時代?；贚ED的半導體照明被認為是21世紀最有可能進入普通照明領域的一種新型固體冷光源和最具發(fā)展前景的高新技術領域之一。

 

GaN-LED具有發(fā)光效率高、節(jié)能、環(huán)保、壽命長、體積小等優(yōu)點，對解決能源和環(huán)境問題有顯著的效果，為此各國曾出臺相關政策支持GaN-LED發(fā)展，如美國的“國家半導體照明研究計劃”，日本的“21世紀照明研究發(fā)展計劃”，歐盟的“彩虹計劃”，韓國的“氮化鎵半導體研究計劃”。

 

我國政府同樣對此高度重視，相繼開展”半導體照明工程"項目，以及“十二五"國家科技計劃新材料領域“半導體照明”和“第三代半導體材料”重點專項。目前國內(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襯底主要包括藍寶石襯底(Al2O3)和砷化鎵襯底(GaAs)，藍寶石襯底主要生產(chǎn)藍綠光，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等新應用，推動GaN-LED外延片需求增加。以電視顯示屏來講，與普通LED相比，Mini LED(次毫米發(fā)光二極管)能夠更精準的把握每一絲色彩變化，呈現(xiàn)出更加細膩、真實的電視畫面。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)萬甚至數(shù)十萬顆，雖然芯片尺寸減小，但是由于使用量上百倍的成長，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。

 

Micro LED，即LED微縮化和矩陣化技術，作為顯示技術和LED發(fā)光技術結(jié)合的復合集成技術，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，且能夠應用于現(xiàn)有從小尺寸到大尺寸的任何顯示場景中。一旦商業(yè)化，對GaN-LED外延片的需求將更加巨大。

 

除了新型顯示應用，UV LED亦是未來LED應用的重點方向。2020年由于COVID-19的緣故，大眾殺菌、消毒的意識明顯上升，這將會推動UV LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，促使GaN-LED外延片市場需求增長。

 

相關數(shù)據(jù)顯示，2019年中國大陸廠商GaN-LED外延片產(chǎn)能約3753萬片/年（4英寸，下同），產(chǎn)量約2826萬片/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回暖情況不如預期，不過進入3Q20以來，多家芯片廠產(chǎn)能開滿，LED外延片需求量出現(xiàn)明顯回升，到4Q20，GaN-LED外延需求量達到290萬片/月。

 

 

GaN-LED仍然存在一些制造技術有待攻克，主要集中在異質(zhì)外延生長、芯片制造等關鍵環(huán)節(jié)，存在三個基本問題：大失配異質(zhì)外延生長的應力調(diào)控與缺陷控制；高折射率、多光學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)設計。

 

三安光電――國內(nèi)LED芯片+化合物半導體雙龍頭。目前，國內(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體。特別是三安光電，除了鞏固自身LED龍頭地位以外，在強化自己化合物半導體領軍企業(yè)的優(yōu)勢方面同樣意圖明顯。早在2014年便成立子公司三安集成，聚焦化合物半導體產(chǎn)業(yè)，營收實現(xiàn)5年翻79倍，2020年在長沙規(guī)劃投資160億打造SiC全產(chǎn)業(yè)鏈，目前項目已全面啟動。

 

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

 

 

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

 

按照激光芯片結(jié)構(gòu)，半導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。下面來談談化合物半導體在半導體激光器中的關鍵應用點：

 

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的材料生長技術和半導體工藝技術將激光器、調(diào)制器等光器件與相關的驅(qū)動電路、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族化合物半導體材料，其中以InP優(yōu)勢突出。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的波長范圍要求，因此廣泛用于半導體光纖通信。

 

02、 激光雷達――GaN技術看得更遠、更快、更清晰。

 

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

 

而光線式距離保持和測量功能（激光雷達）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技術可使激光信號發(fā)送速度遠高于同類Si MOSFET器件?；贕aN的激光雷達使自主駕駛車輛能夠看得更遠、更快、更清晰，從而成為車輛眼睛。

 

03、光存儲――GaN技術提高光存儲密度。

 

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

 

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

 

半導體激光器歐美企業(yè)起步較早，國內(nèi)企業(yè)規(guī)模相對較小。國際領先企業(yè)有美國的 IPG 光電、Coherent（相干，收購德國羅芬）、nLight（恩耐）、II-VI（貳陸），德國的 Trumpf（通快，收購英國 SPI 公司），以及丹麥的 NKTPhotonics 等。國內(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)模上相對較小。

 

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

 

半導體激光器產(chǎn)品正在從工業(yè)應用領域向消費應用領域擴展，3D感測成為手機品牌廠旗艦機在規(guī)格競賽中的重要指標，VCSEL市場規(guī)?？赡苡瓉肀l(fā)性的增長，但競爭也將進一步加劇。據(jù)TrendForce集邦咨詢數(shù)據(jù)，隨著5G的帶動，預估2021年3D感測用VCSEL總產(chǎn)值將達18億美元，年成長達53%。

 

 

2021年中國將進入“十四五”時期，光伏等可再生能源成為主導能源，“碳中和”是十四五期間乃至更長時間維度的大級別確定性主題，而太陽能電池便是實現(xiàn)“碳中和”的關鍵點之一。

 

化合物半導體材料在此廣泛用作太陽能光電轉(zhuǎn)化薄膜，例如CdS，CdTe以及Ⅲ-V化合物半導體GaAs，AIPInP等，用這些半導體材料制成的薄膜太陽能電池表現(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，對光的吸收系數(shù)相當高（僅1um厚的材料就可吸收99%以上光子），以它為基礎可以設計出光電轉(zhuǎn)換效率比Si明顯高的薄膜太陽能電池，達到的光電轉(zhuǎn)化率為18%，在薄膜太陽能電池中屬于世界的最高水平的光電轉(zhuǎn)化效率。

 

自《太陽能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》發(fā)布以來，光伏產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)價格已降低了30%-40%，光伏平價上網(wǎng)加速推進中。同時受下游光伏企業(yè)對光伏電池降本增效的需求，以及高效太陽能電池片技術驅(qū)動的影響，電池迎來需求浪潮。相關數(shù)據(jù)表明，預測到2025年我國太陽能電池產(chǎn)量將達到40367萬千瓦，因此帶來的化合物半導體原材料需求非常巨大。

 

 

光電探測器(PD)是現(xiàn)代通信與傳感系統(tǒng)的關鍵元件，利用光電或光熱等效應將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，在軍事和國民經(jīng)濟的各個領域有著廣泛用途。在可見光或近紅外波段主要用于射線測量和探測、工業(yè)自動控制、光度計量等，在紅外波段主要用于導彈制導、紅外熱成像、紅外遙感等方面。

 

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

 

在波長λ在λ>1um時，Ge是可供選擇的材料。

 

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

 

總而言之，化合物半導體在光電子領域潛力無窮，未來隨著材料工藝的不斷成熟，其核心地位將愈發(fā)凸顯，在摩爾定律即將走向終結(jié)的背景下，化合物半導體無疑為集成電路的發(fā)展開辟出一條全新的道路。