磷化銦單晶應用與技術發展現況

 

刊登日期:2021/7/5
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張永源、蕭達慶/工研院材化所
 
磷化銦是一種III-V族化合物半導體材料,其具有高電光轉換效率、高電子遷移率、高工作溫度、強抗輻射能力的特點,在光纖通訊、毫米波和無線應用等方面擁有明顯的優勢。但在技術開發與產品製造上,仍有許多挑戰需克服。本文將介紹磷化銦晶體材料技術發展現況、市場趨勢與未來展望。
 
【內文精選】
前 言
5G商轉引爆各種磷化銦(InP)的潛在商機浮上檯面,根據Yole預測,2024年磷化銦基板和磊晶晶圓的市場需求將成長到1.72億美元,2018年至2024年的複合年增長率為14%。磷化銦在光通訊領域是電信和資料通訊中收發器不可或缺的材料,到2024年磷化銦晶圓於電信領域市場將可達到5,340萬美元;隨著更高速的資料傳輸需求,收發器技術正往更高速率(100 Gbps和 400 Gbps)趨勢推進,磷化銦晶圓於資料通訊領域市場在2018~2024年期間的複合年增長率高達14%,市場預計將達到9,560萬美元。5G毫米波(Millimeter Wave)前端射頻元件需具備高頻、高速、高功率特點。磷化銦擁有較高的飽和電子漂移速度和電子遷移率,在超高頻下具有優異的工作性能;相較於矽,磷化銦的能隙寬度與擊穿電場強度較高,更能滿足更高功率元件要求。受限於高技術門檻,磷化銦基板市場長期被國外廠商壟斷,全球只有Sumitomo、AXT、WaferTech、InPACT等少數幾家公司能夠穩定供貨滿足市場要求。隨著各種潛在商機逐漸浮上檯面,磷化銦基板需求亦愈見增加,帶動相關供應鏈需求成長。
 
磷化銦的應用
1. 光通訊高速傳輸應用
磷化銦主要應用在光纖通訊,是用於電信和資料通訊中不可或缺的材料。傳播波長1.3 μm和1.5 μm在光通訊系統的石英光纖中具有最小的傳輸損耗,III-V族的四元合金InxGa1-xAsyeP1-y與三元合金InxGa1-xAs是製備這些波長的紅外光雷射及偵測器的主要材料,由於磷化銦與InxGa1-xAsyP1-y和InxGa1-xAs之間擁有良好的晶格匹配(Lattice Match),高品質磊晶層得以在磷化銦基板上生長。磷化銦製備的光通訊元件,正在5G基礎設施(5GInfrastructure)、光纖到府(FTTH)和數據中心(Data Center)傳輸等領域展現成長力道。
 
此外,部分短波長紅外線(SWIR)擁有眼部安全(Eye Safety)與不受大氣干擾(Atmospheric Interference)等特性,使磷化銦基收發器適用於視網膜光學斷層掃瞄儀(Optical Coherence Tomography; OCT)、光學雷達(LiDAR)、短波長紅外線攝影機(Short Wave Infrared Camera)、空中攝影(Aerial Photography)等不同應用市場。
 
2. 高頻通訊領域應用
磷化銦非常適合運用在毫米波與次太赫茲波段的高頻通訊元件,例如高電子移動速度電晶體(HEMT)和異質雙極性接面電晶體(HBT)。磷化銦有高電子遷移率(5,400 cm2/V-sec)與高的功率密度等特性,與其晶格匹配的InGaAs磊晶層更有超高的載流子濃度和電子遷移率(12,000 cm2/V-sec),致使這些元件擁有較高的截止頻率(fT)和最高振盪頻率(fmax),在毫米波以上頻段展現高頻特性。
 
InP HBT主動層材料的能隙低於GaAsHBT(圖一),使得InP HBT具備比GaAsHBT低的工作電壓,此特性將使InP HBT製備的功率放大器(PA)所耗電量比現行的GaAs HBT大為降低,功率附加效率(PAE)提高,元件尺寸將更小、更省電,除了操作頻率更高,也大幅提升手機續航時間。此外,InP HEMT亦具有優異的低雜訊指數(NF),非常適合製作低雜訊放大器(LNA)。因此,磷化銦將成為5G毫米波以上超高頻段功率放大器與低雜訊放大器的熱門選項之一。
 
圖一 化合物半導體能隙、晶格常數與波長關聯圖,其中InP HBT的主動層材料為In0.53Ga0.47A, 其能隙0.74 eV;GaAs HBT的主動層材料為AlGaAs,其能隙在1.42 eV到2.16 eV之間變化
圖一 化合物半導體能隙、晶格常數與波長關聯圖,其中InP HBT的主動層材料為In0.53Ga0.47A,
其能隙0.74 eV;GaAs HBT的主動層材料為AlGaAs,其能隙在1.42 eV到2.16 eV之間變化
 
磷化銦基板的種類
磷化銦基板按導電性能,主要區分為半導電型基板和半絕緣基板兩種。半導電型基板主要用於光電元件,如發光二極體、雷射二極體和光偵測器等元件;半絕緣基板則用於製作射頻元件,如高速、高頻、低雜訊微波、毫米波等電子元件。在磷化銦晶體生長過程中摻雜各種摻雜劑來提供不同類型的基板(表一)。
 
磷化銦單晶生長技術
磷化銦的熔點為1,062˚C,熔點時磷化銦中的磷具有高解離壓(Dissociation Pressure)約2.75 MPa,使得在單晶爐中直接將高純度銦和高純度紅磷原位合成(In-situ Synthesis)單晶非常困難。為維持磷化銦的化學組成比,現行做法是將製程分為兩階段,先將高純度銦和高純度紅磷透過高壓設備合成多晶原料,再投入單晶爐生長單晶。適用於磷化銦單晶生長的技術可分為兩大類,即液封直拉法(LEC)和垂直溫度梯度凝固法(VGF)/垂直布里吉曼法(VB)。兩者方法各有優劣(表二),一般來說,液封直拉法具有…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
表二、兩種主流磷化銦單晶生長方法比較
表二、兩種主流磷化銦單晶生長方法比較
 
★本文節錄自《工業材料雜誌》415期,更多資料請見下方附檔。
 
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