1303-00-0/砷化鎵材料應用與市場現(xiàn)狀

砷化鎵(GaAs)材料是繼硅單晶之后第二代新型化合物半導體中最重要，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)。本文對砷化鎵材料應用與市場現(xiàn)狀進行了解析。

應用

電子遷移率和光電轉(zhuǎn)化效率高，在微電子和光電子領域應用廣泛

砷化鎵屬III~V族化合物半導體，閃鋅礦型晶格結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)5.65×10-10m，熔點1238℃，禁帶寬度1.42V。與元素半導體Ge和Si相比，GaAs具有重要特性：

• 禁帶寬度大，由于GaAs的禁帶寬度較大，本征激發(fā)比較困難，因此可制得耐高溫、耐高壓的大功率器件和半絕緣高阻材料;
• 電子遷移率高，由于GaAs電子遷移率高，擴散系數(shù)也大，因此用GaAs作的器件相比用Ge和Si作的器件，可以在更高的頻率下工作；
• 介電常數(shù)小，這使得GaAs器件的結(jié)電容比較小，器件可在更高頻率下工作；
• 電子有效質(zhì)量小，這一特性使得GaAs中的雜質(zhì)電離能較小，即雜質(zhì)在極低的溫度下仍然可以發(fā)生電離，不影響器件的正常工作；
• 特殊的能帶結(jié)構(gòu)，即導帶最低能級和價帶最高能級均位于布里淵區(qū)的中心，即k=0處；
• 空穴對GaAs可直接躍遷禁帶寬度，使光電轉(zhuǎn)換效率高。

砷化鎵按照材料特性可分為導電型砷化鎵和半絕緣砷化鎵。導電型砷化鎵應用到光電子領域，單晶生長方法有HB、VB、VGF法，單晶尺寸有Φ2”、Φ3”、Φ4”和Φ6”，以Φ4”為主，主要用于制作LED。半絕緣砷化鎵應用到微電子領域，單晶生長方法有VGF、VB、LEC法，單晶尺寸有Φ4”和Φ6”，主要用于制作射頻(RF)功率器件。

在微電子領域，利用砷化鎵的電子遷移率高、禁帶寬度大、直接帶隙、消耗功率低等特性，制作的微波大功率器件、低噪聲器件、微波毫米波單片集成電路、超高速數(shù)字集成電路等以移動通信、光纖通信、衛(wèi)星通信等代表的高技術通信領域以及廣播電視、全球定位、導航、超高速計算機、信息安全、雷達、軍工通信、軍工電子等領域都有廣泛的應用。

在光電子領域，利用砷化鎵的直接躍遷能帶結(jié)構(gòu)具備的高電光轉(zhuǎn)化效率特性，制作的發(fā)光二極管(LED)、激光器(LD)、光探測器等各類光電器件在以背光顯示、半導體照明、汽車、智能手機、可穿戴和安防設備等領域都有廣泛的應用。砷化鎵材料的主要用途。

市場現(xiàn)狀

國內(nèi)廠商只提供導電型砷化鎵，國外產(chǎn)商以半絕緣砷化鎵為主。

砷化鎵材料全球年產(chǎn)量約350t，產(chǎn)值4億美元，這將帶動下游芯片、器件、應用產(chǎn)品等數(shù)百億美元的產(chǎn)值。據(jù)Strategy Analytics 2017年的調(diào)查報告，2016年砷化鎵RF器件的年產(chǎn)值就達到75億美元。

2017年，國內(nèi)的砷化鎵生產(chǎn)企業(yè)(不含美國AXT)，砷化鎵單晶全年銷量預計折合成2英寸晶片為1300萬片，產(chǎn)值預計為6億元，同比增長超過25%。2017年國內(nèi)4英寸砷化鎵晶片銷量同比大幅增長，全年銷售片數(shù)超過2英寸晶片片數(shù)30%。

砷化鎵材料國內(nèi)生產(chǎn)商只提供導電型砷化鎵，銷售市場有中國大陸、中國臺灣、日本、韓國等。砷化鎵材料國外生產(chǎn)商以提供半絕緣砷化鎵為主，其銷售市場也位于中國大陸以外。

半絕緣砷化鎵市場供不應求，導電型砷化鎵市場國內(nèi)廠商靠低價競爭

砷化鎵在光電子領域和微電子領域市場份額各占一半左右，近十幾年市場總體小幅穩(wěn)定增長。未來，光電用砷化鎵襯底需求以Φ4”為主，市場將小幅增長。

2017年半絕緣砷化鎵需求大幅增長，以前半絕緣砷化鎵市場占有率較小的美國AXT公司在2017年第二、三季度出現(xiàn)產(chǎn)品供不應求的情況。

而隨著砷化鎵功率放大器在智能手機、無線網(wǎng)絡中應用的增加，預計在未來5年，砷化鎵微電子市場年增長率將達到5%以上。目前國際上主要還是以Φ4”晶片為主，但隨著科技發(fā)展，預計幾年后將轉(zhuǎn)變?yōu)橐?Phi;6”晶片為主。

導電型砷化鎵用戶基本集中在亞洲，中國大陸和中國臺灣占了市場的一大半，其他均在日本和韓國。導電型砷化鎵85%用作可見光LED襯底，10%用作LED光電探測器，5%用作紅外LED襯底。

在中國大陸，主要用戶是廈門三安和乾照光電，其中廈門三安是全球最大的LED制造商之一。他們生產(chǎn)的砷化鎵外延片有Φ2”和Φ4”，2017年以Φ4”為主。

中國臺灣最大的用戶是晶元電，其生產(chǎn)的砷化鎵外延片基本從Φ2”轉(zhuǎn)為Φ4”。日本用戶其自身大部分自給自足，少量從中國采購。

在導電型砷化鎵市場，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，造成各大企業(yè)基本都虧損。

結(jié)語

砷化鎵(GaAs)材料是繼硅單晶之后第二代新型化合物半導體中最重要的材料之一。其性能優(yōu)異，電子遷移率和光電轉(zhuǎn)化效率高，在微電子和光電子領域應用廣泛，尤其在5G商用化進程中，將發(fā)揮無可替代的作用。

國內(nèi)廠商只提供導電型砷化鎵，一直處于低價競爭的市場環(huán)境中。國外廠商以提供半絕緣砷化鎵為主，市場一度供不應求。

來源：化合物半導體市場