Indiumphosphid ist heiß geworden.

Jensen Huang hat einst behauptet: "In den nächsten zehn Jahren wird die Obergrenze der Rechenleistung von der Effizienz der Lichtübertragung bestimmt." Diese Aussage enthüllt nicht nur die zentrale Rolle der optischen Interkonnektionstechnologie im zukünftigen Wettlauf um Rechenleistung, sondern hat auch die Marktforschung für ein einst angesagtes Halbleitermaterial, Indiumphosphid (InP), entfacht.

Derzeit, mit dem Eintritt der AI-Großmodelltrainings in die Ära der Tausende-GPU-Clustern, wächst der Bedarf an Datenübertragung innerhalb von Rechenzentren exponentiell. Die globalen Ausgaben für AI-Infrastruktur werden geschätzt, dass sie bis 2026 die eine Billion US-Dollar Marke überschreiten werden, was die Beschleunigung der Iteration von optischen Modulen in Rechenzentren auf 800G/1,6T und höhere Übertragungsraten antreibt.

In dieser Welle hat das Indiumphosphid-Material aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften die zentrale Stütze für die optische Kommunikationsrevolution geworden. Die Bestellungen der weltweit führenden Indiumphosphid-Lieferanten sind bis 2026 ausgebucht. Der globale Bedarf an Bauelementen wird 2025 auf 2 Millionen Stücke geschätzt, während die Produktionskapazität nur 600.000 Stücke beträgt. Die nahezu 70%-ige Versorgungs-Lücke treibt die Branchenentwicklung weiter an.

Dieses einst als angesagt angesehene Material wird heute zum neuen Fokus der Halbleiterindustrie.

Warum Indiumphosphid?

Im Bereich der Halbleiter bestimmt die Wahl des Materials oft die Grenzen der Technologierichtung.

Obwohl das traditionelle Siliziummaterial ein reifes Herstellungsverfahren und niedrige Kosten aufweist, zeigen seine physikalischen Eigenschaften in Anwendungsfällen mit hoher Frequenz und Geschwindigkeit zunehmend Schwächen. Indiumphosphid, als Repräsentant des zweiten Generations von III-V-Verbindungshalbleitern, hebt sich in diesem technologischen Fortschritt hervor.

Indiumphosphid verfügt über eine Elektronenbeweglichkeit, die mehr als zehnmal höher als die von Silizium ist (bis zu 1,2×10⁴ cm²/V·s). Gleichzeitig weist es eine hohe Sättigungs-Elektronendriftgeschwindigkeit, ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit und Effizienz bei der Umwandlung von Licht in Elektrizität auf und kann die Verarbeitung von Ultrahochfrequenzsignalen über 100 GHz unterstützen. Dies macht es zum einzigen Kernmaterial, das für Anwendungsfälle mit hoher Frequenz und Geschwindigkeit in der optoelektronischen Fusion geeignet ist.

Insbesondere bei den beiden Schlüsselwellenlängen von 1310 nm und 1550 nm in der optischen Faserkommunikation zeigt Indiumphosphid unersetzliche Vorteile. Diese Wellenlängenbereiche sind die Fenster mit dem geringsten Übertragungsverlust in der optischen Faser. Als Material mit direktem Bandabstand kann Indiumphosphid effizient optoelektronische Bauelemente herstellen, die bei diesen Wellenlängen arbeiten. Darüber hinaus hat es eine Gitteranpassung mit ternären/quaternären Legierungen wie InGaAs und InGaAsP, was es zur ersten Wahl für die Produktion von Kernbauelementen in der optischen Kommunikation macht.

Darüber hinaus weist Indiumphosphid eine hohe Hitzebeständigkeit und Strahlenresistenz auf, was für AI-Server oder AI-Rechenzentren, die lange Zeit in einer heißen Umgebung betrieben werden, von großer Bedeutung ist. Optische Kommunikationschips oder Module, die aus Indiumphosphid hergestellt sind, sind stabiler und zuverlässiger.

Betrachtet man die Anwendungsfälle, so bildet Indiumphosphid eine differenzierte Konkurrenz zum Siliziummaterial: Silizium kann in Anwendungsfällen mit mittlerer Distanz und Leistung ersetzt werden, aber im Bereich der hochwertigen Langstreckenkommunikation ist die Position von Indiumphosphid unerschütterlich. Im Vergleich zu Galliumarsenid, einem anderen III-V-Verbindungshalbleiter, hat Indiumphosphid eine bessere Effizienz bei der Umwandlung von Licht in Elektrizität und eignet sich besser für hochwertige Anwendungsfälle wie 800G- und 1,6T-Optische Module sowie Satellitenkommunikation.

Welche Anwendungen treiben den Bedarf an Indiumphosphid an?

Dank seiner herausragenden Leistungseigenschaften rückt Indiumphosphid schnell in Richtung einer massenhaften kommerziellen Nutzung voran und bildet ein Bedarfsbild mit mehreren Anwendungsfällen.

Zunächst ist das explosive Wachstum von AI-Rechenzentren der zentrale Motor für den derzeitigen starken Anstieg des Bedarfs an Indiumphosphid.

Mit dem Eintritt der AI-Großmodelltrainings in die Ära der Tausende-GPU-Clustern löst die Anforderung an die Rechenleistungskonnektivität in Rechenzentren eine Revolution in der optischen Kommunikationstechnologie aus. Hochgeschwindigkeits-Optische Module ab 800G sind bereits Standardausstattung in AI-Rechenzentren. Ein einzelnes 800G-Optisches Modul benötigt 4-8 Indiumphosphid-Laserdiodenchips. Bei der Weiterentwicklung der Übertragungsrate der optischen Module auf 1,6T und 3,2T wächst der Bedarf an Indiumphosphid exponentiell.

Der NVIDIA Quantum-X-Switch ist mit 18 Silizium-Photonik-Engines ausgestattet, die alle von Indiumphosphid-Substrat-Laserdiodenchips abhängen. Die Anforderung an die Substratfläche einer 1,6T-Optischen Engine ist um über 300 % höher als die einer 800G-Engine. Mit der Erweiterung der Größe von AI-Server-Clustern werden in großen Rechenzentren leicht Tausende von optischen Modulen installiert, was den starren Bedarf an Indiumphosphid direkt auslöst.

Die AXT Company prognostiziert, dass die Bestellungen für "Horizontal Scaling"-Optische Module für die Verbindung zwischen Serverracks in Rechenzentren bis 2026 fast verdoppeln werden und bis 2027 möglicherweise noch einmal verdoppeln. Es wird erwartet, dass die Indiumphosphid-Branche in den nächsten fünf Jahren ein jährliches Wachstum von über 25 % verzeichnen wird und so eine historische Entwicklungschance erlebt.

Einige Branchenvertreter haben angegeben, dass der Markt zunehmend die Rolle von Indiumphosphid in der Infrastruktur von Rechenzentren erkennt und es als einen der ersten Schritte in der Wertschöpfungskette von Künstlichen-Intelligenz-Rechenzentren beschreibt.

Die kommerzielle Einführung der Common Packaging Optics (CPO)-Technologie eröffnet Indiumphosphid lang- und mittelfristig Wachstumsmöglichkeiten.

Als das zentrale Konzept für AI-Rechenzentren, um die "Leistungsgrenze" zu überwinden, packt die CPO-Technologie die optische Engine und die Rechenchips eng zusammen, verkürzt die Signallaufstrecke von Metern auf Zentimeter und kann den Stromverbrauch um über 50 % senken. Dies stellt hohe Anforderungen an die Stabilität und die geringe Defektrate des Indiumphosphid-Substrats und wird auch die Bedarfsdichte an Indiumphosphid pro Chip erheblich erhöhen.

2026 ist das Einführungsjahr der CPO-Technologie. NVIDIA und Broadcom haben bereits Produkte auf den Markt gebracht, der COUPE-Platform von TSMC hat die Validierung abgeschlossen, die Cloud-Riesen beschleunigen die Einführung, und Changjiang Electronics Technology hat kürzlich auch angekündigt, dass es in der CPO-Produkttechnologie wichtige Fortschritte erzielt hat - die Probe des XDFOI-Prozess-Si-Photonik-Engines, die an Kunden ausgeliefert wurde, hat kürzlich beim Kunden erfolgreich funktioniert und die Tests bestanden. Die Branchenentwicklungen und -fortschritte geben dem Bedarf an Indiumphosphid neuen Schwung.

Laut einer Prognose von Fuji Keizai wird der globale Markt für CPO bis 2030 im Vergleich zu 2024 um etwa das 166-fache wachsen und auf 14,2 Billionen Yen steigen. Der Markt für optische Transceiver wird ebenfalls auf 10,7 Billionen Yen ansteigen, was einem Anstieg von etwa 260 % gegenüber 2024 entspricht.

Außer in Rechenzentren dringt Indiumphosphid auch in führende Bereiche wie Lidar, 5G/6G-Mobilkommunikation, Niederorbitale-Satellitenkommunikation und Quantenrechnen schneller vor. Es wird geschätzt, dass die weltweite Liefermenge von Lidar-Systemen bis 2030 20 Millionen Einheiten erreichen wird. Das Indiumphosphid-basierte Konzept gewinnt aufgrund seiner Leistungseigenschaften an Marktanteil in der gehobenen Segment.

Betrachtet man die praktischen Anwendungen, so ist das Luminar Iris Lidar mit einem Indiumphosphid-Detektor ausgestattet und kann ein Ziel mit 10 % Reflektivität in einer Entfernung von 250 Metern erkennen. Es wird in Fahrzeugen wie dem NIO ET7 und dem Volvo XC90 eingesetzt, was die Leistungseigenschaften des Indiumphosphids bestätigt. Der NXP UWB-Chip nutzt das Indiumphosphid-Verfahren und erreicht eine Positionsbestimmungsgenauigkeit im Zentimeterbereich. Er unterstützt die kontaktlose Zugangsmöglichkeit für BMWs Digitalkey. Die Indiumphosphid-Infrarotkamera des chinesischen Satelliten "Jilin-1" ermöglicht eine Nachtaufnahme mit einer Auflösung von 10 Metern und wird für die landwirtschaftliche Überwachung und die Katastrophenrettung eingesetzt.

Seit langem wurden Indiumphosphid-Anwendungen hauptsächlich in kleinen Nischenmärkten eingesetzt, daher war die Branchengröße relativ begrenzt, was zu dem stereotypen Bild führte, dass es teuer sei. Manche Produkte verwenden sogar noch 2-Zoll-Wafer. Mit der Erweiterung der Anwendungsfälle eröffnen sich für die Indiumphosphid-bezogene Technologie neue Chancen.

Nach einer Prognose von Yole wird der globale Markt für InP-Substrate von 3 Milliarden US-Dollar im Jahr 2022 auf 6,4 Milliarden US-Dollar im Jahr 2028 steigen, was einem durchschnittlichen jährlichen Wachstum von 13,5 % entspricht. Der Markt für Rechenzentren-Chips wächst dabei am schnellsten.

Globales Monopol und chinesischer Ausbruchskampf

Angesichts des explosiven Wachstums des Marktbedarfs hat die globale Indiumphosphid-Industrie eine Kapazitätserweiterungswelle in Gang gesetzt. Der Markt ist jedoch immer noch von einigen Oligopolen dominiert.

Sumitomo Electric Industries aus Japan führt mit einem Marktanteil von 60 %. Es produziert 4-Zoll-Fe-dotierte halbisolierende Substrate mit der VB-Methode. Das Verfahren ist reif und die Ausbeute ist stabil. Die amerikanische AXT Company hat über ihre Tochtergesellschaft in Beijing etwa 35 % des Marktanteils. Mit der VGF-Methode hat es die Massenproduktion von 6-Zoll-InP-Substraten realisiert und hat eine deutliche Kostenvorteil. Zusammen mit der französischen II-VI (konzentriert auf hochwertige Epitaxieschichten und dominiert den Bereich der optischen Kommunikation) und der japanischen JX Metals und anderen Unternehmen monopolisieren diese wenigen Giganten mehr als 95 % der weltweiten Produktionskapazität.

Wie oben erwähnt, wird der globale Bedarf an Indiumphosphid-Bauelementen 2025 auf 2 Millionen Stücke geschätzt, während die Produktionskapazität nur 600.000 Stücke beträgt. Die Versorgungs-Lücke beträgt bis zu 70 %. Derzeit sind die Bestellungen der weltweit führenden Lieferanten bis 2026 ausgebucht.

Um die Versorgungsengpässe zu lindern, setzen die führenden Hersteller zusätzliche Kräfte ein: AXT hat 100 Millionen US-Dollar in die Kapazitätserweiterung seiner chinesischen Tochtergesellschaft investiert und plant, die Kapazität bis 2026 zu verdoppeln, indem es die bestehenden Anlagen modernisiert und die vertikal integrierte chinesische Anlage (Rohstoffe, Öfen, Recycling) nutzt. Sumitomo Electric plant, seine Kapazität bis 2027 um 40 % zu erhöhen. Die japanische JX Metals hat ebenfalls eine Kapazitätserweiterung um 20 % angekündigt.

Im vierten Quartal 2024 hat der Indiumphosphid-verwandte Geschäftszweig der Coherent Company ein zweifaches Wachstum im Vergleich zum Vorjahr erzielt. Darüber hinaus hat Coherent die weltweit erste Produktionslinie für 6-Zoll-Indiumphosphid-Wafer errichtet und hat ein ehrgeiziges Kapazitätserweiterungsplan festgelegt. Es plant, die Kapazität bis 2026 auf das Fünffache des gegenwärtigen Niveaus zu erhöhen.

Trotzdem kann das Marktungleichgewicht zwischen Angebot und Nachfrage kurzfristig nicht gelöst werden. Gleichzeitig bedeutet die extreme Monopolisierung in der Indiumphosphid-Branche nicht nur das Fehlen von Verhandlungsmacht, sondern auch, dass die gesamte chinesische Branche für fortschrittliche Rechenleistung und Kommunikation auf einer "externen Versorgungsleitung" basiert, die jederzeit abgeschnitten werden könnte.

Vor diesem Hintergrund beschleunigen chinesische Unternehmen ihren Ausbruch aus der Abhängigkeit von ausländischen Produkten. Unternehmen wie Yunnan Germanium Industry, Sanan Optoelectronics, Yunnan Xinyao und das Jiufengshan Laboratory haben durch technologische Anstrengungen allmählich das ausländische Monopol gebrochen.

Die Tochtergesellschaft von Yunnan Germanium Industry, Xinyao Semiconductor, liefert bereits 4-Zoll-Indiumphosphid-Substrate in Massen. Die 6-Zoll-Produkte haben die Qualifikation von Huawei Hisilicon bestanden. Die Kapazität beträgt 150.000 Stücke pro Jahr. Die hochwertigen Substrate füllen eine Lücke in der chinesischen Produktion.

Sanan Optoelectronics hat 6,5 Milliarden Yuan für die Kapazitätserweiterung gesammelt. Die Wuhan-Standort produziert monatlich 10.000 6-Zoll-Substrate. Die Produkte sind in die Lieferkette von Huawei eingeschlossen und ersetzen dank ihrer Kostenvorteile allmählich die importierten Produkte.

Das Jiufengshan Laboratory hat in Zusammenarbeit mit Yunnan Xinyao erfolgreich ein 6-Zoll-Indiumphosphid-basiertes Epitaxieverfahren entwickelt. Die Schlüsselleistungseigenschaften erreichen das internationale Spitzenniveau. Ein einzelner 6-Zoll-Wafer kann über 400 Chips herstellen, was viermal so viel wie bei einem 3-Zoll-Wafer ist. Gleichzeitig wird die Kosten pro Chip auf 60 % - 70 % der Kosten eines 3-Zoll-Wafers gesenkt. Das Jiufengshan Laboratory plant, die 8-Zoll-Epitaxietechnologie bis 2026 zu erobern, um die Kosten weiter zu senken.

Zhongke Optoelectronics deckt alle Geschwindigkeitsstufen von InP-basierten Epitaxieschichten, optischen Chips und Bauelementen ab.

BoJie Technology hat durch die Investition in DingTaiXinYuan die erste chinesische Produktionslinie für InP-Substrate mit eigenem geistigem Eigentum errichtet und das ausländische Monopol gebrochen.

Shanxi Indium Technology hat das "Halsabschneide"-Problem bei der Materialherstellung gelöst und die stabile Massenproduktion von Substraten und Epitaxieschichten erreicht. Es bietet eine lokale Unterstützung.