Рынок GaAs – фотоника как новый драйвер и «пост-пандемическое развитие»

Нет никаких сомнений, что в этом году нас ждет полновесная глобальная рецессия. Какая именно? Предсказать непросто из-за множества неучтенных факторов. Страны по всему миру ввели разные степени изоляции для своего населения, и мы в действительности только начинаем видеть первые финансовые последствия этого в электронной промышленности. Честный ответ на вопрос о том, как COVID-19 скажется на полупроводниковой отрасли, похоже, есть только один – пока совершенно не ясно!

В майском номере журнала «Фотоника» опубликована обзорная статья «Фотоника – новый драйвер арсенида галлия». Авторы – сотрудники «ОКБ «Астрон» – Н.А. Кульчицкий, А.В. Наумов и В.В. Старцев. В статье отмечается, что двойное полупроводниковое соединение арсенид галлия (GaAs) – традиционный материал СВЧ-электроники. До недавних пор одним из наиболее быстрорастущих сегментов рынка применений этого материала были высокочастотные интегральные схемы (ИС) на GaAs для мобильной телефонии. Однако, парадигма развития рынка GaAs меняется.

Новым двигателем развития мирового рынка арсенида галлия становится фотоника. GaAs появился и развивался как материал СВЧ-электроники в середине 60х гг. ХХ века. Это обеспечило широкое распространение GaAs во все сектора применения, от мобильных телефонов и базовых станций до радаров и систем связи мм-диапазона. В статье отмечается, что вектор развития GaAs меняется: от СВЧ-электронике к фотонике. Рубежом можно считать 2017 год – с момента появления в смартфонах «iPhone X» функции 3D-сканирования лиц с использованием лазерных диодов с вертикальным излучающим резонатором (VCSEL) на базе GaAs. (Рис.1)

Рис.1 Развитие рынка приборов на GaAs, млрд. $

Оптоэлектронные применения GaAs

Светодиоды:

СД состоит из эпитаксиальных слоев GaAsP или InGaAsP на подложке GaAs, излучают свет от бледно-зеленого до красного. СД из AlGaAs на подложках GaAs излучают свет от красного до инфракрасного. Недавно появившиеся микро-СД соединяют преимущества высокой эффективности, яркости и надежности с более коротким временем отклика, позволяя создавать более легкие, тонкие и гибкие дисплеи с преимуществами энергосбережения для таких приложений, как носимые устройства, автомобили, большие телевизоры, дополненная реальность и многое другое.

Лазерные диоды (VСSEL, EEL и др.)

Смартфон «iPhoneX» корпорации Apple стал первым потребительским прибором, в котором стала применяться технология распознавания лиц – ИК-СД сканирует лицо пользователя и строит 3D-модель. В «iPhoneX» 150-мм GaAs-подложки используются для изготовления VCSEL- и фотодетекторов, применяемых при распознавании лиц. Учитывая потенциальное внедрение этой технологии всеми платформами Android, аналитики ожидают, что этот сегмент рынка пластин GaAs для VCSEL вырастет на 58% ежегодно в период до 2023 гг., а сам рынок VCSEL вырастет с 783 млн $ в 2018 г до 3775 млн $ в 2024 г.

Технология получения и обработки информации об удалённых объектах с помощью активных оптических систем (LiDAR-Light Identification Detection and Ranging «обнаружение, идентификация и определение дальности с помощью света») – ключевая технология, позволяющая создать 3D карту окрестностей для автономных транспортных средств и широких областей применения робототехники. В этом новом приложении используются высокомощные и крупногабаритные лазерные устройства на основе GaAs с «краевым излучением» (EEL), которые, как ожидается, также дадут большой импульс роста «фотонных» (т.е. из легированного GaAs, полученного методом VGF) пластин GaAs. Рынок EEL, как ожидается, вырастет с 2500 млн.$ в 2018 г. до 5100 млн.$ в 2024 г. Инфракрасные светодиоды на основе GaAs, используемые в медицинских датчиках артериального давления и сахара в крови, а также датчики для распознавания жестов в смартфонах и автомобилях, также являются заметными сегментами рынка.

Тепловизионные приборы с фотоприемными устройствами на квантовых ямах

Растущий спрос на ИК-системы, вызванный как военными, так и гражданскими применениями, вызовет рост мирового рынка тепловых камер в ближайшие годы. Рынок тепловых камер для военных и охранных применений, как предсказывают аналитики, превысит 2.4 миллиарда долларов США к 2023 году, вследствие возрастающих проблем безопасности, в том числе противоэпидемической. Значительное расширение областей применения ИК-систем коротковолнового ИК диапазона спектра (0,9-1,7 мкм) привело к появлению охлаждаемых матричных фотоприемных устройств (МФПУ) на основе и квантовых ям (QWIP).

В табл.1 представлены ИК-модули некоторых зарубежных (IRnova) и отечественных («ОКБ «Астрон» и ПАО «Светлана») производителей с охлаждаемыми МФПУ на квантовых ямах на базе GaAs.

Табл.1 ИК-модули некоторых производителей с охлаждаемыми МФПУ на квантовых ямах на GaAs

Марка ФПУ	IRnova320ER-LW IDCA	Irnova640 integral cooler DDCA	Irnova640-ER split cooler DDCA	АСТРОН-640КЯ20А89
Формат матрицы, элементов	320×256	640×480	640×512	640×512
Шаг матрицы, мкм	30	25	25	20
Спектральный диапазон, мкм	7,5-9	7,5-9	7,5-9	8.3-8.7
Максимум спектральной чувствительности, мкм	8,6	8,6	8,6	8,7
Временнáя NETD, мК	25	35	30	30
Кадровая частота, Гц	60	30	107	50
Система охлаждения	Интегральный Стирлинг	Интегральный Стирлинг	Сплит-Стирлинг	Интегральный Стирлинг АСТРОН-МКС500

Производители GaAs в мире и в России

Основными производителями изделий (слитков, пластин и эпитаксиальных структур) GaAs являются компании: Freiberger Compound Materials, AXT, Sumitomo Electric, China Crystal Technologies, Shenzhou Crystal Technology, Tianjin Jingming Electronic Materials, DOWA Electronics Materials, II-VI Incorporated, IQE Corporation и Wafer Technology. В области поставок объемных кристаллов GaAs, Sumitomo Electric, Freiberger Composite Materials и AXT лидируют на рынке с общей долей рынка около 95%.

В настоящее время монокристаллы арсенида галлия в России изготавливаются в АО «Гиредмет» (Москва, предприятие Росатома) методом LEC и в ООО «Лассард» (г. Обнинск) методом ВНК. В АО «Гиредмет» и в ООО «Лассард» сегодня осуществляются инвестиционные проекты, направленные на развитие технологии GaAs. Также в 2019 г. запущено производство гетероструктур на основе арсенида галлия. АО «Экран-оптические системы», опираясь на разработки Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова (ИФП) СО РАН, ввело в эксплуатацию установку молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ).

Поскольку новые лазерные приложения диктуют очень высокие технические требования к пластинам GaAs, которые постоянно ужесточаются, аналитики полагают, что метод ВНК в этом секторе будет главенствующим, а упомянутые игроки сохранят свое техническое преимущество по крайней мере в течение еще 3-5 лет. Ожидается, что китайские поставщики пластин GaAs, такие как Violent Materials, которые захватили часть рынка СД от ведущих поставщиков, увеличат свою долю. Рынок СД GaAs в основном вертикально интегрирован, с хорошо зарекомендовавшими себя интегрированными производителями устройств, такими как Osram, Sanan, Epistar и Changelight. За последние несколько лет сектор эпитаксиальных структур GaAs прошел через большую консолидацию, в результате чего осталось четыре основных игрока: IQE, VPEC, Sumitomo Chemicals (включая Sumitomo Chemical Advanced Technologies и SCOCS) и IntelliEPI.

Заключение – попытка прогноза

Последствия вируса глобальны, но реакция очень специфична для каждой отдельной страны и отрасли. Это особенно важно для оценки рынка GaAs, поскольку он тесно связан с состоянием дел на рынке смартфонов и фотонных устройств. Недавно опубликованный прогноз Strategy Analytics Group продаж телефонов для 88 стран с 2007 г. до 2025 г оценивает снижение поставок смартфонов на ~ 21% в 2020 г, но обещает относительно быстрое последующее восстановление. С учетом того, что более 50% выручки СВЧ-GaAs поступает с рынка мобильных телефонов, 21% -е снижение поставок смартфонов негативно скажется на выручке кристаллов и пластин GaAs. Так что очень вероятно, что после очень длительного периода роста выручки GaAs рынок будет наблюдать второй год подряд сокращение. Исходя из этого прогноза и наших оценок, продажи кристаллов и пластин GaAs в 2020 году могут снизиться на 11-12%. Но изоляция, увеличение объемов дистанционных заказов и доставки через Интернет создает огромный спрос на коммуникации и подключение к многочисленным Центрам обработки данных. Возможности медицинского дистанционного тестирования продолжают оставаться на переднем крае битвы с COVID-19, так что и такое оборудование ждет больший спрос. Если говорить о перспективах рынка ИК-систем в связи с сегодняшней пандемической ситуацией, то весьма вероятно, что эпидемиологическая угроза надолго займет в общественном сознании такое же место, какое после терактов в Нью-Йорке 2001 г. заняла террористическая угроза. Нельзя исключать появления в аэропортах биометрического контроля в дополнение к существующим протоколам авиационной безопасности, новых протоколов прохождения пунктов перехода границы и пр. Это вызовет рост рынка ИК-систем. Оборонная промышленности всех стран не застрахована от сбоев в цепочке поставок, но поскольку финансирование там всегда предварительно одобрено, а жизненные циклы гораздо дольше, оборонная промышленность, кажется, немного лучше защищена от спада.

Все эти соображения вселяют определенный оптимизм в отношении объемов выручки на рынке GaAs. Но падение поставок мобильных телефонов, видимо, будет все-таки слишком большим, чтобы преодолеть спад полностью, поэтому общая выручка, похоже, снова сократится в 2020 году, но трудные времена в отрасли компонентов GaAs должны быть кратковременными (т.н. «V-образный» спад – с быстрым падением и быстрым восстановлением). В конечном счете, как только цепочка поставок и спрос вернутся в нормальное русло, 5G сети и фотонные устройства станут движущей силой будущего роста рынка GaAs. Подробно со статей можно ознакомиться в номере 2 журнала «Фотоника» за 2020 г.

В.В. Старцев, А.В. Наумов