砷化鎵材料發(fā)展?fàn)顩r概述

趙巧云

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所，天津，300220）

砷化鎵材料發(fā)展?fàn)顩r概述

趙巧云

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所，天津，300220）

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(guó)AXT代表著國(guó)際領(lǐng)先水平；中科晶電、晶明公司代表著國(guó)內(nèi)的先進(jìn)水平。未來(lái)幾年，是國(guó)內(nèi)企業(yè)研發(fā)6英寸產(chǎn)品，向國(guó)際水平?jīng)_擊的重要時(shí)期。

砷化鎵；半導(dǎo)體發(fā)光二極管；襯底材料

砷化鎵（GaAs）是目前最重要、最成熟的化合物半導(dǎo)體材料之一，廣泛應(yīng)用于光電子和微電子領(lǐng)域。GaAs材料主要分為兩類：半絕緣砷化鎵材料和半導(dǎo)體砷化鎵材料。半絕緣砷化鎵材料主要制作 MESFET、 HEMT和HBT結(jié)構(gòu)的集成電路。主要用于雷達(dá)、微波及毫米波通信、超高速計(jì)算機(jī)及光纖通信等領(lǐng)域。半導(dǎo)體砷化鎵材料主要應(yīng)用于光通信有源器件（LD）、半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）可見(jiàn)光激光器、近紅外激光器、量子阱大功率激光器和高效太陽(yáng)能電池。

1　國(guó)外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)分析

隨著GaAs IC集成度的提高和降低成本的需要，砷化鎵材料總的發(fā)展趨勢(shì)是晶體大直徑，長(zhǎng)尺寸化。2000年已研制出8英寸LEC砷化鎵單晶拋光片，2002年研制出8英寸VGF砷化鎵單晶拋光片及8英寸VGF砷化鎵外延片，2006年制定出8英寸砷化鎵拋光片SEMI M9.8標(biāo)準(zhǔn)。材料的發(fā)展路線圖見(jiàn)圖1。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，且沒(méi)有市場(chǎng)需求，造成了8英寸砷化鎵襯底沒(méi)有形成量產(chǎn)。

隨著微波砷化鎵器件集成度的提高和降低成本的需求，半絕緣砷化鎵拋光片的發(fā)展趨勢(shì)是增大直徑、提高電學(xué)參數(shù)的均勻性和一致性。為了提高單片管芯數(shù)量，要求增加襯底晶片的尺寸，同時(shí)對(duì)晶片的幾何參數(shù)以及表面狀態(tài)的要求更高，對(duì)產(chǎn)品的批次一致性要求也更嚴(yán)格。目前，4、6英寸半絕緣砷化鎵拋光片生產(chǎn)技術(shù)主要掌握在日本住友電工（Sumitomo Electric Industries）、德國(guó)費(fèi)里伯格（Freiberger Compound Material）、美國(guó)AXT三個(gè)公司手中。這些公司的產(chǎn)品占據(jù)著砷化鎵市場(chǎng)的絕大部分份額。砷化鎵單晶生長(zhǎng)技術(shù)也向成晶率高、成本低的VB/VGF單晶生長(zhǎng)技術(shù)轉(zhuǎn)移。至2015年，6英寸襯底已占據(jù)市場(chǎng)份額90%以上。銷售的6英寸半絕緣砷化鎵產(chǎn)品的電阻率從107Ω·cm覆蓋到108Ω·cm，具有較高的晶體軸向和徑向電阻率均勻性。拋光片的加工幾何參數(shù)如TTV、Warp、LTV也很小。拋光片表面質(zhì)量狀態(tài)也優(yōu)良，如顆粒少，表面進(jìn)行鈍化處理，產(chǎn)品的保存時(shí)間長(zhǎng)。

圖1　砷化鎵材料的發(fā)展路線圖

2　國(guó)內(nèi)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)分析

國(guó)內(nèi)砷化鎵材料應(yīng)用市場(chǎng)以紅黃光LED用半導(dǎo)體單晶拋光片（亦稱低阻砷化鎵襯底）為主，2015年市場(chǎng)規(guī)模約1.0億元，折合2英寸襯底約25萬(wàn)片/月。其中4寸片占30%，2寸片占70%。預(yù)計(jì)未來(lái)2-3年這比例將發(fā)生逆轉(zhuǎn)。預(yù)計(jì)2020年，折合4英寸襯底約10萬(wàn)片/月。其中以中科晶電和中國(guó)電科46所下屬晶明公司為代表，具備LEC和VB、VGF拉晶技術(shù)，主要生產(chǎn)2-4英寸砷化鎵襯底片。

其中晶明公司是國(guó)內(nèi)目前從事半絕緣砷化鎵單晶材料研制的單位之一，4英寸半絕緣拋光片具備月產(chǎn)1-2萬(wàn)片的能力， 6英寸半絕緣拋光片尚處于研制階段。

中科晶電在08年金融危機(jī)時(shí)及時(shí)做出戰(zhàn)略調(diào)整，由原來(lái)的以海外市場(chǎng)為主、逐漸轉(zhuǎn)型為以國(guó)內(nèi)客戶為主，同時(shí)根據(jù)國(guó)內(nèi)產(chǎn)品需求，把原以2英寸晶片主導(dǎo)產(chǎn)品轉(zhuǎn)變?yōu)?英寸晶片產(chǎn)品，具備2、4英寸砷化鎵襯底月產(chǎn)20萬(wàn)片以上的生產(chǎn)能力，基本占領(lǐng)了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的70%以上，一躍成為國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體材料行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)。

目前，國(guó)內(nèi)的砷化鎵產(chǎn)品在性能指標(biāo)上與國(guó)外領(lǐng)先水平還有一定的差距，具體情況如表1所示。從表1中，我們可以看出，國(guó)內(nèi)與國(guó)外主要差距主要是單晶質(zhì)量的差距，4英寸產(chǎn)品已經(jīng)具備了和國(guó)外相當(dāng)?shù)募庸に剑?英寸產(chǎn)品由于加工經(jīng)驗(yàn)和設(shè)備限制，尚有一定差距。

表1　國(guó)內(nèi)某公司半絕緣砷化鎵與國(guó)際先進(jìn)水平的對(duì)比

3　國(guó)外應(yīng)用市場(chǎng)狀況

根據(jù)Strategy Analytics的報(bào)告，手機(jī)仍將是促進(jìn)砷化鎵（GaAs）IC市場(chǎng)增長(zhǎng)的主要?jiǎng)恿?，尤其砷化鎵PA在3G、4G手機(jī)批量應(yīng)用，每部手機(jī)需求PA約2-4顆，砷化鎵PA也可應(yīng)用WLAN的方面，平板電腦使用PA約4-5顆，而2011年平板電腦出貨6000萬(wàn)臺(tái)。砷化鎵電路不僅用于手機(jī)的功放和開(kāi)關(guān)部分，還可用于移動(dòng)通信基站、光通信、衛(wèi)星通信、CATV等重要用途，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。國(guó)外砷化鎵IC用半絕緣砷化鎵襯底材料已發(fā)展到以6英寸為主。砷化鎵IC主要生產(chǎn)商美國(guó)的Skyworks，Qorvo和Agago，占全球1/3。2014年全球GaAs芯片生產(chǎn)容量達(dá)到了74億美元。

《半絕緣砷化鎵外延片襯底市場(chǎng)預(yù)測(cè)：2012-2017》指出，砷化鎵市場(chǎng)緩慢增長(zhǎng)及手機(jī)的多頻砷化鎵功率放大器市場(chǎng)不斷增長(zhǎng)，2012年半絕緣砷化鎵外延襯底達(dá)到了2900萬(wàn)平方英寸（折合4英寸230.9萬(wàn)片），到2017年，襯底需求將達(dá)到3160萬(wàn)平方英寸（折合4英寸251.6萬(wàn)片）。2013年底，紅黃光LED、LD、太陽(yáng)能用半導(dǎo)體砷化鎵襯底市場(chǎng)的占有率達(dá)50%，預(yù)計(jì)到2017年市場(chǎng)占有率達(dá)到62%，需求半導(dǎo)體砷化鎵襯底折合4英寸320萬(wàn)片。半絕緣和半導(dǎo)體砷化鎵2017年全球全球銷售額達(dá)到6.5億美元。

臺(tái)灣是全球最大大的紅、黃光LED產(chǎn)業(yè)基地（約占全球的40%），目前以4英寸為主。2015年紅黃光LED外延片和芯片總產(chǎn)值約10億元，襯底材料需求近1.25億元，折合4英寸襯底約8萬(wàn)片/月，其中晶元光電用量約6萬(wàn)片/月。韓國(guó)市場(chǎng)主要需求國(guó)內(nèi)的砷化鎵多晶用于紅外LED材料。代表用戶有：prowtech、Xtel.AUS等。年市場(chǎng)規(guī)模約1000萬(wàn)元，折合300～400kg/月。

4　國(guó)內(nèi)應(yīng)用市場(chǎng)狀況

近十年是我國(guó)航天快速發(fā)展時(shí)代，需求量驟增，未來(lái)5年衛(wèi)星通信用太陽(yáng)能電池外延片市場(chǎng)規(guī)模在30萬(wàn)片/年以上。其中采用4英寸摻Si低阻砷化鎵拋光片需求將達(dá)到2萬(wàn)片/年。

中國(guó)是全球第二的紅、黃光LED產(chǎn)業(yè)基地（約占全球的30%），典型用戶有三安光電、乾照光電、天津中環(huán)、山東華光、太時(shí)芯光等。三安光電是國(guó)內(nèi)最大的全色系LED生產(chǎn)商，旗下廈門和天津分廠均使用砷化鎵襯底。其中廈門廠以2英寸為主，2015年用量約2萬(wàn)片/月；天津廠以4英寸為主，用量約1萬(wàn)片/月。乾照光電是國(guó)內(nèi)最大的紅黃光LED廠家，以2英寸為主，用量約10～15萬(wàn)片/月。國(guó)內(nèi)其他廠家以2英寸為主，總用量約5萬(wàn)片/月。另外，合肥彩虹、山西飛虹等公司也在陸續(xù)投產(chǎn)，產(chǎn)能規(guī)模有待進(jìn)一步調(diào)研。成都海威華芯科技有限公司2016年4月8日0.25微米6英寸砷化鎵、氮化鎵微波集成電路生產(chǎn)線打通，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白，打破了國(guó)外對(duì)中國(guó)高端射頻芯片的封鎖，成為國(guó)家高端芯片供應(yīng)安全重要保障。

5　展望

伴隨著通訊技術(shù)和新能源產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，砷化鎵襯底在未來(lái)仍具有非常廣闊的市場(chǎng)前景。未來(lái)5年內(nèi)，國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體企業(yè)在大力發(fā)展4-6英寸低阻襯底片的同時(shí)，必將突破6-8英寸半絕緣單晶制備的關(guān)鍵技術(shù)形成批產(chǎn)能力。預(yù)計(jì)“十三五”期間，我國(guó)4英寸砷化鎵生產(chǎn)線將具備月產(chǎn)30萬(wàn)片以上的生產(chǎn)能力，6英寸半絕緣砷化鎵襯底將達(dá)到5萬(wàn)片/月。

［1］周春鳳，蘭天平，孫強(qiáng).砷化鎵材料技術(shù)發(fā)展及需求［J］.天津科技，2015.3，第42卷第3期：11-15.

［2］紀(jì)秀峰.砷化鎵材料國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］. LED產(chǎn)業(yè)及其材料技術(shù)市場(chǎng)高層論壇論文集，2010-08-09，中國(guó)會(huì)議.

［3］劉耀彬，胡觀敏，我國(guó)LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢(shì)及戰(zhàn)略選擇［J］.科技進(jìn)步與對(duì)策， 2010，27（12）：77-81.

An overview of the development of GaAs Materials

Zhao Qiaoyun
（The 46th Research Institute， CETC，Tianjin 300220，China）

GaAs is widely used in the field of Optoelectronics and microelectronics，is a key substrate material for fabricating a semiconductor light-emitting diode and a communications device.As with single crystal silicon， GaAs substrate is gradually to the large size，high geometric precision，high surface quality and direction of development.At present，the Japanese Sumitomo electric industry，AXT represents the international leading level；branch of the crystal electricity，crystal clear company represents the domestic advanced level.The next few years，is the development of 6 inch products of domestic enterprises，an important period of the impact to the international level.

GaAs；semiconductor light-emitting diode；substrate material

趙巧云（1984—），女，河北晉州人，工程師。2011年7月畢業(yè)于河北工業(yè)大學(xué)大學(xué)微電子學(xué)與固體電子學(xué)專業(yè)，并獲工學(xué)碩士學(xué)位?，F(xiàn)在中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所從事半導(dǎo)體材料科研管理與產(chǎn)業(yè)發(fā)展管理工作。

本論文受天津市科技計(jì)劃項(xiàng)目支持（15ZLZLZF00200）。