大直徑砷化鎵發(fā)展趨勢及應(yīng)用

周鐵軍 廖彬 王金靈

摘 要：砷化鎵廣泛應(yīng)用于光電子和微電子領(lǐng)域，是制作半導(dǎo)體發(fā)光二極管和通信器件的關(guān)鍵襯底材料。與硅單晶一樣，砷化鎵襯底正逐步向大尺寸、高幾何精度、高表面質(zhì)量方向發(fā)展。目前，日本住友電工、美國AXT代表著國際領(lǐng)先水平;廣東先導(dǎo)先進(jìn)材料公司代表著國內(nèi)的領(lǐng)先技術(shù)已逐步追趕上國際水平。未來幾年，是國內(nèi)企業(yè)研發(fā)8英寸產(chǎn)品，向國際水平?jīng)_擊的重要時期。

關(guān)鍵詞：大直徑砷化鎵;發(fā)展趨勢;應(yīng)用

砷化鎵（GaAs）材料是繼硅單晶之后第二代新型化合物半導(dǎo)體中最重要，用途最廣泛的材料之一，主要用于光電子產(chǎn)業(yè)和微電子產(chǎn)業(yè)。但隨著砷化鎵功率放大器在智能手機(jī)、無線網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的增加，預(yù)計在未來5年，砷化鎵微電子市場年增長率將達(dá)到5%以上。

一、砷化鎵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

（1）在砷化鎵單晶方面，核心技術(shù)仍掌握在少數(shù)國際大公司手中，日本的住友、德國的費(fèi)里伯格、美國的AXT代表了國際上商用GaAs晶片的最高水平。但是未來隨著市場規(guī)模的逐漸擴(kuò)大，以及技術(shù)的不斷精進(jìn)，砷化鎵單晶市場競爭主體將會逐漸增多。如廣東先導(dǎo)先進(jìn)材料，已經(jīng)占領(lǐng)LED用砷化鎵襯底的大部分市場份額。

（2）砷化鎵4、6英寸大直徑晶體的單晶生長技術(shù)一直掌握在國外像日本住友等幾家大型公司里，國內(nèi)一直扮演著追趕者的角色，近些年，國內(nèi)的4、6英寸大直徑晶體的單晶生長技術(shù)也取得突破性的進(jìn)展，特別是先導(dǎo)公司，4英寸大直徑晶體單晶成品率實(shí)驗室數(shù)據(jù)達(dá)到95%，量產(chǎn)4英寸大直徑單晶成品率達(dá)到88%;6英寸大直徑晶體單晶成品率實(shí)驗室數(shù)據(jù)達(dá)到80%，量產(chǎn)6英寸大直徑單晶成品率達(dá)到70%，均已達(dá)到國際領(lǐng)先水平，推進(jìn)了4—6英寸大直徑晶體國產(chǎn)化的進(jìn)程。

（3）另外，砷化鎵單晶制造環(huán)節(jié)已有較多企業(yè)布局，工藝較為成熟，主要滿足國內(nèi)需求，但是國內(nèi)各大生產(chǎn)企業(yè)近幾年一直處于低價惡性競爭的環(huán)境，除此之外，國內(nèi)企業(yè)還需面臨國際領(lǐng)先企業(yè)在華工廠的競爭。因此砷化鎵開始向大直徑、長尺寸、高性能的晶體方向發(fā)展。德國費(fèi)里伯格在2000年用LEC長晶法研制出8英寸砷化鎵單晶，相繼日本住友也研制出用VGF法生長8英寸砷化鎵單晶及8英寸VGF砷化鎵外延片，并制定出8英寸砷化鎵晶片SEMIM9.8標(biāo)準(zhǔn)。目前砷化鎵晶片最大應(yīng)用商品為6英寸。由于8英寸砷化鎵器件生產(chǎn)線投入太大，技術(shù)難度高，因而很難形成商業(yè)化。（見圖1）

目前形成商業(yè)化的6英寸砷化鎵的拋光片，技術(shù)和工藝還是掌握在德國費(fèi)里伯格、日本住友電工、美國AXT三個國外公司手中，并且占據(jù)著砷化鎵市場的絕大部分份額，國內(nèi)6英寸砷化鎵拋光片生產(chǎn)技術(shù)主要掌握在先導(dǎo)公司，其公司產(chǎn)品逐漸進(jìn)入市場，占有部分份額，預(yù)計后續(xù)隨著半導(dǎo)體材料國產(chǎn)化進(jìn)程的進(jìn)行及國外市場的開展，其市場份額會越來越大。為降低砷化鎵拋光片生產(chǎn)成本，提高晶體生長成晶率，因而VB/VGF生長法成為大直徑砷化鎵單晶生長技術(shù)主流，預(yù)計至2025年，6英寸襯底將占據(jù)市場份額90%以上。（如圖2）

二、砷化鎵產(chǎn)品市場規(guī)模發(fā)展預(yù)測

（一）砷化鎵元件市場規(guī)模發(fā)展

預(yù)計到2023年全球砷化鎵元件市場規(guī)模達(dá)到157億美元，未來5年將增長10%。數(shù)據(jù)分析，全球砷化鎵產(chǎn)品市場總產(chǎn)值在2018年達(dá)到89億美元，比2017年增長0.45%，2012-2018年增加了7%。預(yù)計全球砷化鎵元件市場規(guī)模到2023年將達(dá)到143億美元，2019-2024年將會增加10%，增速加快。（見圖3、圖4）

預(yù)計國內(nèi)砷化鎵元件市場規(guī)模到2023年將達(dá)到90億美元，未來5年將增長44%，而2018年國內(nèi)砷化鎵元件市場總產(chǎn)值約14億美元，隨著5G手機(jī)更新?lián)Q代，預(yù)計大幅度增加PA用量，國內(nèi)砷化鎵產(chǎn)品需求量將保持高速增長勢頭。（見圖5、圖6）

（二）砷化鎵襯底材料市場規(guī)模發(fā)展

預(yù)計全球砷化鎵襯底到2023年規(guī)模將達(dá)到10.5億美元，其中中國約占3.5億美元，而2018年全球砷化鎵襯底規(guī)模為4.1億美元，而國內(nèi)僅為0.6億美元，預(yù)計到2023年全球和國內(nèi)的5年平均增長分別為21%和45%。砷化鎵襯底在全球范圍內(nèi)市場結(jié)構(gòu)變化不大，而國內(nèi)砷化鎵襯底用于射頻芯片的比例將快速增加。（見圖7、圖8）

三、砷化鎵的應(yīng)用規(guī)模

（一）通訊微電子器件應(yīng)用

目前，砷化鎵高速半導(dǎo)體器件廣泛用于通信產(chǎn)品，由于砷化鎵制程的功率放大器（PA）比硅制程的PA有更高的效率、更好的絕緣性、更低的諧波和接收噪音以及更低的電功率，已成為目前手機(jī)、WLAN市場上PA的主流。

5G手機(jī)功率放大器用量翻倍增長：PA是手機(jī)器件中最關(guān)鍵之一，手機(jī)無線通信的距離、信號質(zhì)量、甚至待機(jī)時間都將由它直接決定，是整個射頻系統(tǒng)中最重要的部分（除基帶外）。隨著2G、3G、4G、5G發(fā)展手機(jī)里面PA的數(shù)量也逐漸增加。如PA模組，3G平均使用4顆PA，4G多模多頻手機(jī)所需PA芯片平均為7顆，預(yù)測5G手機(jī)內(nèi)的PA芯片將達(dá)16顆之多。

三星2020年1月3日宣布該公司在2019年5G手機(jī)的銷售情況，共售出超過670萬部5G手機(jī)，中國5G手機(jī)市場表現(xiàn)同樣亮眼，據(jù)中國信通院網(wǎng)站披露的數(shù)據(jù)顯示，2019年11月，國內(nèi)手機(jī)出貨量同比微降1.5%，5G手機(jī)出貨量超500萬部。5G手機(jī)在市場的表現(xiàn)，超出此前調(diào)研機(jī)構(gòu)的預(yù)測，HIS智能手機(jī)的分析師認(rèn)為5G手機(jī)銷售量將從2019年底的約1300萬部增加至明年的2.53億部，到2022年，全世界智能手機(jī)發(fā)貨量將達(dá)15億部。

（二）光纖通信市場應(yīng)用

光纖通信具有很多特點(diǎn)，包括高速、大容量、傳輸業(yè)務(wù)信息多等。在光纖通信中，大于2.5G比特/秒的光通信傳輸系統(tǒng)，砷化鎵半導(dǎo)體器件高速半導(dǎo)體器件構(gòu)成專用電路是光通信收發(fā)系統(tǒng)必須采用的器件，國內(nèi)寬帶產(chǎn)業(yè)將迎來新的發(fā)展機(jī)會。

（三）汽車電子市場應(yīng)用

毫米波段是汽車防撞雷達(dá)采用的波段，其波段最適合的器件是砷化鎵半導(dǎo)體器件。防撞雷達(dá)主要可分為倒車?yán)走_(dá)及前防撞雷達(dá)兩種。依據(jù)統(tǒng)計2019年全球汽車出貨量接近1.2億臺，接下來的新車概念為結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)以提高安全性，因此車載電子比率將大幅提高，其中包括M2M的通信，前方后方防撞雷達(dá)等與砷化鎵產(chǎn)業(yè)相關(guān)，各大車廠已計劃逐步導(dǎo)入，未來砷化鎵高速半導(dǎo)體器件的應(yīng)用范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大。

（四）衛(wèi)星導(dǎo)航市場應(yīng)用

由于砷化鎵高速半導(dǎo)體器件微波頻段的電學(xué)特性優(yōu)勢，砷化鎵高速半導(dǎo)體器件在衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備上使用。最適合衛(wèi)星通信的頻率是1～10GHz頻段，即微波頻段，而砷化鎵高速半導(dǎo)體器件在此波段的電學(xué)特性比傳統(tǒng)硅器件較好，砷化鎵又是衛(wèi)星通信用的波段頻率的最佳選擇，將會大規(guī)模應(yīng)用在衛(wèi)星通信設(shè)備上。根據(jù)有關(guān)預(yù)測，我國2020年衛(wèi)星導(dǎo)航市場規(guī)模將保持30%左右的增長。

（五）軍事應(yīng)用市場應(yīng)用

早期軍事應(yīng)用的需求牽引，使砷化鎵工業(yè)能發(fā)展到今天的程度。歐美國家充分挖掘砷化鎵材料在微電子領(lǐng)域的應(yīng)用，砷化鎵器件的設(shè)備在多種戰(zhàn)術(shù)武器中開始裝備采用，如砷化鎵MMIC相控陣?yán)走_(dá)裝載在主力戰(zhàn)機(jī)中，砷化鎵材料也應(yīng)用在電子戰(zhàn)設(shè)備，如砷化鎵引信裝載在多種導(dǎo)彈中。

隨著移動通訊的迅速發(fā)展，軍事領(lǐng)域的通信市場穩(wěn)中有升，由于要求不同于民品市場，大部分都是特別開發(fā)量身定制的，且很多方面比較嚴(yán)格特殊，國內(nèi)由于沒有一個完整的供應(yīng)鏈特別是芯片制造這一塊，因此國內(nèi)軍品市場迫切需要專業(yè)的代工廠商。

進(jìn)入4G時代在互聯(lián)網(wǎng)Plus的推動下隨著各種應(yīng)用平臺的普及，會帶動砷化鎵通訊器件的需求成長。再加上要實(shí)現(xiàn)各種物聯(lián)網(wǎng)的概念與方案，高速的砷化鎵無線通訊芯片更是不可或缺的一環(huán)，行業(yè)預(yù)估2020年全球聯(lián)網(wǎng)設(shè)備使用量將達(dá)430億部。

根據(jù)以上的預(yù)測，砷化鎵應(yīng)用領(lǐng)域及市場前景廣闊，極具有發(fā)展?jié)摿Α?/p>

四、結(jié)語

從砷化鎵材料產(chǎn)業(yè)的未來市場規(guī)模預(yù)測來看，砷化鎵的尺寸將從2英寸、4英寸、6英寸工藝逐漸過渡到更大尺寸的工藝線。本文論述了大直徑砷化鎵的現(xiàn)狀和未來市場規(guī)模預(yù)測，這些成果將會為更大尺寸砷化鎵材料的工藝研究提供堅實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)和發(fā)展動力。隨著我國技術(shù)不斷進(jìn)度，國產(chǎn)砷化鎵材料一定會大規(guī)模進(jìn)入國際市場，在競爭日趨激烈的國際市場占有一席之地。

參考文獻(xiàn)：

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項目：本項目受國家工信部2019年工業(yè)強(qiáng)基-超薄鍺單晶實(shí)施方案（編號：TC190A4DA/34）項目資助