光電材料之鈮酸鋰行業(yè)研究薄膜鈮酸鋰技術(shù)突破

光電材料之鈮酸鋰行業(yè)研究薄膜鈮酸鋰技術(shù)突破（報(bào)告出品方/作者：海通證券，余偉民、徐卓）1.鈮酸鋰晶體：性能優(yōu)異，主要應(yīng)用于光電等領(lǐng)域鈮酸鋰晶體具有光電效應(yīng)多、性能可調(diào)控性強(qiáng)等特點(diǎn)鈮酸鋰（LiNbO3）是鈮、鋰、氧的化合物，是一種自發(fā)極化大（室溫時(shí)0.70C/m2）的負(fù)性晶體。根據(jù)孫軍等《鈮酸鋰晶體及其應(yīng)用概述》，鈮酸鋰是目前發(fā)現(xiàn)的居里溫度最高（1210C）的鐵電體。鈮酸鋰晶體具有光電效應(yīng)多、性能可調(diào)控性強(qiáng)、物理化學(xué)性能穩(wěn)定、光透過(guò)范圍寬等特點(diǎn)。（1）鈮酸鋰晶體光電效應(yīng)多，具有包括壓電效應(yīng)、電光效應(yīng)、非線性光學(xué)效應(yīng)、光折變效應(yīng)、光生伏打效應(yīng)、光彈效應(yīng)、聲光效應(yīng)等多種光電性能；（2）鈮酸鋰晶體的性能可調(diào)控性強(qiáng)，這是由鈮酸鋰晶體的晶格結(jié)構(gòu)和豐富的缺陷結(jié)構(gòu)所造成，鈮酸鋰晶體的諸多性能可以通過(guò)晶體組分、元素?fù)诫s、價(jià)態(tài)控制等進(jìn)行大幅度調(diào)控；（3）鈮酸鋰晶體的物理化學(xué)性能相當(dāng)穩(wěn)定，易于加工；（4）光透過(guò)范圍寬，具有較大的雙折射，而且容易制備高質(zhì)量的光波導(dǎo)，所以基于鈮酸鋰晶體的聲表面波濾波器、光調(diào)制器、相位調(diào)制器、光隔離器、電光調(diào)Q開關(guān)等光電器件在電子技術(shù)、光通信技術(shù)、激光技術(shù)等領(lǐng)域中得到了廣泛研究和實(shí)際應(yīng)用。發(fā)展歷程：鈮酸鋰材料研究近百年鈮酸鋰材料的研究已經(jīng)接近100年，可以劃分為三個(gè)階段：第一階段（1928-1965年）：國(guó)外對(duì)鈮酸鋰的生長(zhǎng)工藝和晶格結(jié)構(gòu)展開研究。1928年礦物學(xué)家Zachariasian首次對(duì)鈮酸鋰結(jié)構(gòu)特性開展初步研究；1937年，Sue等實(shí)驗(yàn)合成了鈮酸鋰，但并未引起廣泛關(guān)注；直至1949年，美國(guó)Bell實(shí)驗(yàn)室的Matthias和Remeika發(fā)現(xiàn)其高溫鐵電特性，鈮酸鋰正式進(jìn)入人們視野；1964年，Bell實(shí)驗(yàn)室的Ballman利用Czochralski法成功生長(zhǎng)出厘米級(jí)鈮酸鋰晶體；1965年，Bell實(shí)驗(yàn)室的Nassau和Levinstein找到制備單疇鈮酸鋰的方法；1965年，Abrahams等建立新的鐵電與順電相下鈮酸鋰晶格結(jié)構(gòu)模型，一直沿用至今。第二階段（1964-1967年）：國(guó)外對(duì)鈮酸鋰的特性展開廣泛研究。由于突破了材料生長(zhǎng)工藝，獲得了最優(yōu)的晶格模型，1964-1967年，美國(guó)Bell實(shí)驗(yàn)室對(duì)鈮酸鋰的電光、倍頻、壓電、光折變等特性開展一系列研究。第三階段（1970年至今）：我國(guó)從1970年代開始鈮酸鋰晶體生長(zhǎng)、缺陷、性能及其應(yīng)用研究。1980年，南開大學(xué)與西南技術(shù)物理所合作發(fā)現(xiàn)高摻鎂鈮酸鋰的高抗光損傷性能，該晶體被稱為“中國(guó)之星”；同年，南京大學(xué)突破了周期極化鈮酸鋰的生長(zhǎng)工藝，從實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)相位匹配。分類應(yīng)用：主要包括聲學(xué)級(jí)和光學(xué)級(jí)兩種類型鈮酸鋰晶體按照應(yīng)用可以分為聲學(xué)級(jí)和光學(xué)級(jí)兩種類型。光學(xué)級(jí)鈮酸鋰晶體：具有較大的電光及非線性光學(xué)系數(shù)、較寬的光透過(guò)窗口、較大的雙折射率、能生長(zhǎng)出Kg級(jí)的體塊晶體、機(jī)械加工性能良好、不潮解等優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用于集成光學(xué)波導(dǎo)、波導(dǎo)型激光器、光隔離器用楔角片、電光波導(dǎo)相位調(diào)制器、電光波導(dǎo)強(qiáng)度調(diào)制器、準(zhǔn)相位匹配激光倍頻器件、光參量振蕩器等領(lǐng)域；聲學(xué)級(jí)鈮酸鋰晶體：具有優(yōu)良的壓電性能、熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性，主要應(yīng)用于聲表面波濾波器等領(lǐng)域。技術(shù)方向：薄膜化成為材料重要發(fā)展方向鈮酸鋰薄膜技術(shù)及其潛在的集成光子學(xué)系統(tǒng)，已經(jīng)逐漸成為當(dāng)前光子學(xué)研究前沿的“變革性”技術(shù)。在基于體材料鈮酸鋰晶體的光學(xué)器件中，光被限制在由離子擴(kuò)散或質(zhì)子交換形成的平面波導(dǎo)內(nèi)，折射率差通常比較?。▇0.02），器件尺寸比較大，難以滿足光學(xué)器件趨于小型化、集成化的需求。而薄膜鈮酸鋰是通過(guò)“離子切片”的方式，從塊狀的鈮酸鋰晶體上剝離出鈮酸鋰薄膜，并鍵合到附有SiO2緩沖層的Si晶片上，形成的薄膜鈮酸鋰材料。相比于傳統(tǒng)的體材料結(jié)構(gòu)，薄膜鈮酸鋰平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)更高的集成度、更好的性能。應(yīng)用領(lǐng)域：光學(xué)應(yīng)用鈮酸鋰晶體具有優(yōu)異的電光效應(yīng)和非線性光學(xué)效應(yīng)，廣泛應(yīng)用于電光調(diào)制器等領(lǐng)域。鈮酸鋰晶體的光電效應(yīng)非常豐富，其中電光效應(yīng)、非線性光學(xué)效應(yīng)性能突出，應(yīng)用也最為廣泛。而且鈮酸鋰晶體可以通過(guò)質(zhì)子交換或鈦擴(kuò)散制備高品質(zhì)的光波導(dǎo)，又能夠通過(guò)極化翻轉(zhuǎn)制備周期性極化晶體，所以在電光調(diào)制器、相位調(diào)制器、集成光開關(guān)、電光調(diào)Q開關(guān)、電光偏轉(zhuǎn)、高電壓傳感器、波前探測(cè)、光參量振蕩器以及鐵電超晶格等器件中得到廣泛應(yīng)用。其中，鈮酸鋰電光調(diào)制器是利用鈮酸鋰晶體的線性電光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的，具有高速率、高消光比、低啁啾等優(yōu)點(diǎn)，適合光通信用高速外調(diào)制器，包含幅度調(diào)制器、相位調(diào)制器等產(chǎn)品。應(yīng)用領(lǐng)域：壓電應(yīng)用鈮酸鋰晶體是優(yōu)良的壓電材料，廣泛應(yīng)用于濾波器等領(lǐng)域。鈮酸鋰晶體居里溫度高，壓電效應(yīng)的溫度系數(shù)小，機(jī)電耦合系數(shù)高，介電損耗低，晶體物化性能穩(wěn)定，加工性能良好，又易于制備大尺寸高質(zhì)量晶體，是一種優(yōu)良的壓電晶體材料。與常用的壓電晶體石英相比，鈮酸鋰晶體聲速高，可以制備高頻器件，因此鈮酸鋰晶體可用于諧振器、換能器、延遲線、濾波器等，應(yīng)用于移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信、數(shù)字信號(hào)處理、電視機(jī)、廣播、雷達(dá)、遙感遙測(cè)等民用領(lǐng)域以及電子對(duì)抗、引信、制導(dǎo)等軍事領(lǐng)域。其中，應(yīng)用最為廣泛的是聲表面波濾波器件。聲表面波濾波器（SAW）是采用石英晶體、壓電陶瓷等壓電材料，利用其壓電效應(yīng)和聲表面波傳播的物理特性而制成的一種濾波專用器件。其基本原理為在輸入端由壓電效應(yīng)把無(wú)線信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲信號(hào)在介質(zhì)表面?zhèn)鞑?，在輸出端由逆壓電效?yīng)將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為無(wú)線信號(hào)。鈮酸鋰壓電晶圓具有優(yōu)良的壓電性能、熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性，是制作射頻聲表面波濾波器的理想基板材料。產(chǎn)業(yè)鏈：國(guó)內(nèi)鈮酸鋰產(chǎn)業(yè)鏈趨于完善鈮酸鋰產(chǎn)業(yè)鏈上游材料主要包括鈮酸鋰晶體及薄膜，上游設(shè)備主要包括電子束直寫、DUV光刻機(jī)等；產(chǎn)業(yè)鏈中游主要是鈮酸鋰調(diào)制器芯片及器件等，包括體材料鈮酸鋰調(diào)制器和薄膜鈮酸鋰調(diào)制器；產(chǎn)業(yè)鏈下游主要應(yīng)用于光通信、光纖陀螺、超快激光器、有線電視（CATV）等眾多領(lǐng)域。市場(chǎng)規(guī)模：22年全球鈮酸鋰晶體市場(chǎng)規(guī)模達(dá)11.3億元全球鈮酸鋰晶體市場(chǎng)穩(wěn)步增長(zhǎng)，2022年市場(chǎng)規(guī)模達(dá)11.3億元。伴隨下游行業(yè)快速發(fā)展，鈮酸鋰晶體市場(chǎng)空間不斷擴(kuò)大。根據(jù)新思界產(chǎn)業(yè)研究中心的《2023-2028年中國(guó)鈮酸鋰晶體行業(yè)市場(chǎng)深度調(diào)研及發(fā)展前景預(yù)測(cè)報(bào)告》，2022年全球鈮酸鋰晶體市場(chǎng)規(guī)模達(dá)11.3億元，同比增長(zhǎng)3.1%。光學(xué)級(jí)是鈮酸鋰晶體的主要類型，2016年占比約60%。根據(jù)QYReseach公眾號(hào)數(shù)據(jù)，2016年全球鈮酸鋰晶體市場(chǎng)營(yíng)收為1.24億美元（約8億元），預(yù)計(jì)2022年達(dá)到1.46億美元（約10億元），CAGR為2.26％。其中，光學(xué)級(jí)是鈮酸鋰晶體的主要類型，2016年全球光學(xué)級(jí)鈮酸鋰晶體銷售收入約0.75億美元，約占全球銷售收入的60％。此外，2016年，日本擁有全球最大的鈮酸鋰晶體出口量和制造商，而歐洲是鈮酸鋰晶體的第二大銷量市場(chǎng)。競(jìng)爭(zhēng)格局：國(guó)內(nèi)廠商在薄膜鈮酸鋰領(lǐng)域具備卡位優(yōu)勢(shì)目前，薄膜鈮酸鋰材料的主要參與者包括濟(jì)南晶正、上海新硅聚合、廈門博威、PartowTechnologies、SRICO、NGKInsulators等。其中，濟(jì)南晶正在全球率先實(shí)現(xiàn)了鈮酸鋰單晶薄膜材料的商業(yè)化生產(chǎn)，可以提供3/4/6英寸，厚度為300-900nm的薄膜鈮酸鋰晶圓；上海新硅聚合可以提供4英寸，厚度為300-600nm的薄膜鈮酸鋰晶圓；廈門博威可以提供4英寸，厚度為300-500nm的薄膜鈮酸鋰晶圓；美國(guó)PartowTechnologies可以提供3/4/6英寸，厚度為300-1200nm的薄膜鈮酸鋰晶圓；美國(guó)SRICO可以提供3英寸，厚度為1000nm的薄膜鈮酸鋰晶圓；日本NGKInsulators可以提供厚度為500nm的薄膜鈮酸鋰晶圓。2.鈮酸鋰調(diào)制器：薄膜調(diào)制器成長(zhǎng)潛力突出，迎國(guó)產(chǎn)化機(jī)遇鈮酸鋰調(diào)制器是當(dāng)前電光調(diào)制器市場(chǎng)的主流產(chǎn)品電光調(diào)制器（EOM）是利用某些電光晶體的電光效應(yīng)制成的調(diào)制器。電光效應(yīng)是指當(dāng)電光晶體受到外加電場(chǎng)時(shí)，電光晶體的折射率會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)該晶體的光波特性也會(huì)相應(yīng)變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)的幅度、相位以及偏振狀態(tài)等參量的調(diào)制。電光調(diào)制器包括相位調(diào)制器、強(qiáng)度調(diào)制器、偏振調(diào)制器等類型。鈮酸鋰調(diào)制器性能優(yōu)異，主要用在100G-1.2T的長(zhǎng)距骨干網(wǎng)相干通訊和單波100/200G的超高速數(shù)據(jù)中心上。目前行業(yè)內(nèi)光調(diào)制的技術(shù)主要有三種：基于硅光、磷化銦和鈮酸鋰材料平臺(tái)的電光調(diào)制器。其中，硅光調(diào)制器具有低能耗、低成本等優(yōu)勢(shì)，主要應(yīng)用在短程的數(shù)據(jù)通信用收發(fā)模塊中；磷化銦調(diào)制器主要用在中距和長(zhǎng)距光通信網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊；鈮酸鋰調(diào)制器具有帶寬高、穩(wěn)定性好、信噪比高、傳輸損耗小、工藝成熟等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前電光調(diào)制器市場(chǎng)的主流產(chǎn)品，主要用在100Gbps以上直至1.2Tbps的長(zhǎng)距骨干網(wǎng)相干通訊和單波100/200Gbps的超高速數(shù)據(jù)中心上。鈮酸鋰調(diào)制器的未來(lái)——薄膜鈮酸鋰調(diào)制器體材料鈮酸鋰調(diào)制器在關(guān)鍵性能參數(shù)的提升上遭遇瓶頸，且體積較大，不利于集成。傳統(tǒng)鈮酸鋰調(diào)制器以體鈮酸鋰為材料，雖然體材料鈮酸鋰調(diào)制器在高速骨干網(wǎng)的傳輸調(diào)制中起到關(guān)鍵作用，但也存在一定不足：（1）受限于鈮酸鋰材料中的自由載流子效應(yīng)，傳統(tǒng)鈮酸鋰基電光調(diào)制器的信號(hào)質(zhì)量、帶寬、半波電壓、插入損耗等關(guān)鍵性能參數(shù)的提升逐漸遭遇瓶頸，且與CMOS工藝不兼容；（2）由于鈮酸鋰材料和工藝原因，鈮酸鋰調(diào)制器的尺寸大小無(wú)法縮小，難以滿足“在光模塊對(duì)端口密度越來(lái)越大的要求下，對(duì)光器件的尺寸要求越來(lái)越小”的要求。上述不足限制了鈮酸鋰在更小及更高要求的下一代網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。薄膜鈮酸鋰調(diào)制器具有大帶寬、低功耗、小尺寸等優(yōu)勢(shì)，有望成為調(diào)制器未來(lái)的重要發(fā)展方向。相較于其他光電子材料，如磷化銦（成本受限）、硅光（性能功耗受限）、鈮酸鋰晶體（尺寸受限），薄膜鈮酸鋰可實(shí)現(xiàn)超快電光效應(yīng)和高集成度光波導(dǎo)，具有大帶寬、低功耗、低損耗、小尺寸等優(yōu)異特性，并可實(shí)現(xiàn)大尺寸晶圓規(guī)模制造，是非常理想的電光調(diào)制器材料。需求：長(zhǎng)期薄膜鈮酸鋰調(diào)制器市場(chǎng)空間或超百億2024年全球調(diào)制器芯片及器件市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)226億美元。根據(jù)光庫(kù)科2021年報(bào)援引WinterGreenResearch的數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)2024年全球調(diào)制器芯片及器件市場(chǎng)（包含通信、傳感及其他）將增長(zhǎng)至226億美元。我們認(rèn)為，隨相干光通信快速滲透，疊加光纖陀螺、超快激光器等非通信市場(chǎng)的需求后，長(zhǎng)期全球薄膜鈮酸鋰調(diào)制器市場(chǎng)規(guī)模有望超百億。1）光通信領(lǐng)域，根據(jù)我們測(cè)算，長(zhǎng)期全球薄膜鈮酸鋰調(diào)制器市場(chǎng)規(guī)模約59-88億元；2）光纖陀螺領(lǐng)域，根據(jù)我們測(cè)算，2024年中國(guó)鈮酸鋰調(diào)制器市場(chǎng)規(guī)模約50-67億元；3）超快激光器領(lǐng)域，根據(jù)我們測(cè)算，2024年全球鈮酸鋰調(diào)制器市場(chǎng)規(guī)