第二代新型化合物半导体材料——砷化镓材料应用与市场现状解析

摘要：砷化镓(GaAs)材料是继硅单晶之后第二代新型化合物半导体中最重要、用途最广泛的材料之一，主要用于光电子产业和微电子产业。本文对砷化镓材料应用与市场现状进行了解析。

1、砷化镓材料的重要特性

砷化镓属III~V族化合物半导体，闪锌矿型晶格结构，晶格常数5.65×10-10m，熔点1238℃，禁带宽度1.42V。与元素半导体Ge和Si相比，GaAs具有以下重要特性：

1.禁带宽度大：由于GaAs的禁带宽度较大，本征激发比较困难，因此可制得耐高温、耐高压的大功率器件和半绝缘高阻材料。

2.电子迁移率高：由于GaAs电子迁移率高，扩散系数也大，因此用GaAs作的器件相比用Ge和Si作的器件，可以在更高的频率下工作。

3.介电常数小：这使得GaAs器件的结电容比较小，器件可在更高频率下工作。

4.电子有效质量小：这一特性使得GaAs中的杂质电离能较小，即杂质在极低的温度下仍然可以发生电离，不影响器件的正常工作；

5.特殊的能带结构：即导带最低能级和价带最高能级均位于布里渊区的中心，即k=0处。空穴对GaAs可直接跃迁禁带宽度，使光电转换效率高。

2、砷化镓材料的分类和应用领域

砷化镓按照材料特性可分为导电型砷化镓和半绝缘砷化镓。导电型砷化镓应用到光电子领域，单晶生长方法有HB、VB、VGF法，单晶尺寸有Φ2”、Φ3”、Φ4”和Φ6”，以Φ4”为主，主要用于制作LED。半绝缘砷化镓应用到微电子领域，单晶生长方法有VGF、VB、LEC法，单晶尺寸有Φ4”和Φ6”，主要用于制作射频(RF)功率器件。

在微电子领域，利用砷化镓的电子迁移率高、禁带宽度大、直接带隙、消耗功率低等特性，制作的微波大功率器件、低噪声器件、微波毫米波单片集成电路、超高速数字集成电路等以移动通信、光纤通信、卫星通信等代表的高技术通信领域以及广播电视、全球定位、导航、超高速计算机、信息安全、雷达、军工通信、军工电子等领域都有广泛的应用。

在光电子领域，利用砷化镓的直接跃迁能带结构具备的高电光转化效率特性，制作的发光二极管(LED)、激光器(LD)、光探测器等各类光电器件在以背光显示、半导体照明、汽车、智能手机、可穿戴和安防设备等领域都有广泛的应用。

表1 砷化镓材料的主要用途

（来源：金智创新行业研究中心）

3、国内外砷化镓生产和市场竞争差异

1.国内厂商只提供导电型砷化镓，国外产商以半绝缘砷化镓为主

砷化镓材料全球年产量约350t，产值4亿美元，这将带动下游芯片、器件、应用产品等数百亿美元的产值。据Strategy Analytics 2017年的调查报告，2016年砷化镓RF器件的年产值就达到75亿美元。

2017年，国内的砷化镓生产企业(不含美国AXT)，砷化镓单晶全年销量预计折合成2英寸晶片为1300万片，产值预计为6亿元，同比增长超过25%。2017年国内4英寸砷化镓晶片销量同比大幅增长，全年销售片数超过2英寸晶片片数30%。

砷化镓材料国内生产商只提供导电型砷化镓，销售市场有中国大陆、中国台湾、日本、韩国等。砷化镓材料国外生产商以提供半绝缘砷化镓为主，其销售市场也位于中国大陆以外。

2.半绝缘砷化镓市场供不应求，导电型砷化镓市场国内厂商靠低价竞争

砷化镓在光电子领域和微电子领域市场份额各占一半左右，近十几年市场总体小幅稳定增长。未来光电用砷化镓衬底需求以Φ4”为主，市场将小幅增长。

2017年半绝缘砷化镓需求大幅增长，以前半绝缘砷化镓市场占有率较小的美国AXT公司在2017年第二、三季度出现产品供不应求的情况。而随着砷化镓功率放大器在智能手机、无线网络中应用的增加，预计在未来5年，砷化镓微电子市场年增长率将达到5%以上。

目前国际上主要还是以Φ4”晶片为主，但随着科技发展，预计几年后将转变为以Φ6”晶片为主。

导电型砷化镓用户基本集中在亚洲，中国大陆和中国台湾占了市场的一大半，其他均在日本和韩国。导电型砷化镓85%用作可见光LED衬底，10%用作LED光电探测器，5%用作红外LED衬底。

在中国大陆，主要用户是厦门三安和乾照光电，其中厦门三安是全球最大的LED制造商之一。他们生产的砷化镓外延片有Φ2”和Φ4”，2017年以Φ4”为主。中国台湾最大的用户是晶元电，其生产的砷化镓外延片基本从Φ2”转为Φ4”。日本用户其自身大部分自给自足，少量从中国采购。

在导电型砷化镓市场，国内各大生产企业近几年一直处于低价恶性竞争的环境，造成各大企业基本都亏损。

4、结语

砷化镓(GaAs)材料是继硅单晶之后第二代新型化合物半导体中最重要的材料之一。其性能优异，电子迁移率和光电转化效率高，在微电子和光电子领域应用广泛，尤其在5G商用化进程中，将发挥无可替代的作用。

国内厂商只提供导电型砷化镓，一直处于低价竞争的市场环境中。国外厂商以提供半绝缘砷化镓为主，市场一度供不应求。