砷化镓材料发展状况概述

赵巧云

（中国电子科技集团公司第四十六研究所，天津，300220）

砷化镓材料发展状况概述

赵巧云

（中国电子科技集团公司第四十六研究所，天津，300220）

砷化镓广泛应用于光电子和微电子领域，是制作半导体发光二极管和通信器件的关键衬底材料。与硅单晶一样，砷化镓衬底正逐步向大尺寸、高几何精度、高表面质量方向发展。目前，日本住友电工、美国AXT代表着国际领先水平；中科晶电、晶明公司代表着国内的先进水平。未来几年，是国内企业研发6英寸产品，向国际水平冲击的重要时期。

砷化镓；半导体发光二极管；衬底材料

砷化镓（GaAs）是目前最重要、最成熟的化合物半导体材料之一，广泛应用于光电子和微电子领域。GaAs材料主要分为两类：半绝缘砷化镓材料和半导体砷化镓材料。半绝缘砷化镓材料主要制作 MESFET、 HEMT和HBT结构的集成电路。主要用于雷达、微波及毫米波通信、超高速计算机及光纤通信等领域。半导体砷化镓材料主要应用于光通信有源器件（LD）、半导体发光二极管（LED）可见光激光器、近红外激光器、量子阱大功率激光器和高效太阳能电池。

1　国外技术发展现状和发展趋势分析

随着GaAs IC集成度的提高和降低成本的需要，砷化镓材料总的发展趋势是晶体大直径，长尺寸化。2000年已研制出8英寸LEC砷化镓单晶抛光片，2002年研制出8英寸VGF砷化镓单晶抛光片及8英寸VGF砷化镓外延片，2006年制定出8英寸砷化镓抛光片SEMI M9.8标准。材料的发展路线图见图1。最大应用商品为6英寸。由于8英寸砷化镓器件生产线投入太大，且没有市场需求，造成了8英寸砷化镓衬底没有形成量产。

随着微波砷化镓器件集成度的提高和降低成本的需求，半绝缘砷化镓抛光片的发展趋势是增大直径、提高电学参数的均匀性和一致性。为了提高单片管芯数量，要求增加衬底晶片的尺寸，同时对晶片的几何参数以及表面状态的要求更高，对产品的批次一致性要求也更严格。目前，4、6英寸半绝缘砷化镓抛光片生产技术主要掌握在日本住友电工（Sumitomo Electric Industries）、德国费里伯格（Freiberger Compound Material）、美国AXT三个公司手中。这些公司的产品占据着砷化镓市场的绝大部分份额。砷化镓单晶生长技术也向成晶率高、成本低的VB/VGF单晶生长技术转移。至2015年，6英寸衬底已占据市场份额90%以上。销售的6英寸半绝缘砷化镓产品的电阻率从107Ω·cm覆盖到108Ω·cm，具有较高的晶体轴向和径向电阻率均匀性。抛光片的加工几何参数如TTV、Warp、LTV也很小。抛光片表面质量状态也优良，如颗粒少，表面进行钝化处理，产品的保存时间长。

图1　砷化镓材料的发展路线图

2　国内技术发展现状和发展趋势分析

国内砷化镓材料应用市场以红黄光LED用半导体单晶抛光片（亦称低阻砷化镓衬底）为主，2015年市场规模约1.0亿元，折合2英寸衬底约25万片/月。其中4寸片占30%，2寸片占70%。预计未来2-3年这比例将发生逆转。预计2020年，折合4英寸衬底约10万片/月。其中以中科晶电和中国电科46所下属晶明公司为代表，具备LEC和VB、VGF拉晶技术，主要生产2-4英寸砷化镓衬底片。

其中晶明公司是国内目前从事半绝缘砷化镓单晶材料研制的单位之一，4英寸半绝缘抛光片具备月产1-2万片的能力， 6英寸半绝缘抛光片尚处于研制阶段。

中科晶电在08年金融危机时及时做出战略调整，由原来的以海外市场为主、逐渐转型为以国内客户为主，同时根据国内产品需求，把原以2英寸晶片主导产品转变为4英寸晶片产品，具备2、4英寸砷化镓衬底月产20万片以上的生产能力，基本占领了国内市场的70%以上，一跃成为国内半导体材料行业的领军企业。

目前，国内的砷化镓产品在性能指标上与国外领先水平还有一定的差距，具体情况如表1所示。从表1中，我们可以看出，国内与国外主要差距主要是单晶质量的差距，4英寸产品已经具备了和国外相当的加工水平，6英寸产品由于加工经验和设备限制，尚有一定差距。

表1　国内某公司半绝缘砷化镓与国际先进水平的对比

3　国外应用市场状况

根据Strategy Analytics的报告，手机仍将是促进砷化镓（GaAs）IC市场增长的主要动力，尤其砷化镓PA在3G、4G手机批量应用，每部手机需求PA约2-4颗，砷化镓PA也可应用WLAN的方面，平板电脑使用PA约4-5颗，而2011年平板电脑出货6000万台。砷化镓电路不仅用于手机的功放和开关部分，还可用于移动通信基站、光通信、卫星通信、CATV等重要用途，应用领域非常广泛。国外砷化镓IC用半绝缘砷化镓衬底材料已发展到以6英寸为主。砷化镓IC主要生产商美国的Skyworks，Qorvo和Agago，占全球1/3。2014年全球GaAs芯片生产容量达到了74亿美元。

《半绝缘砷化镓外延片衬底市场预测：2012-2017》指出，砷化镓市场缓慢增长及手机的多频砷化镓功率放大器市场不断增长，2012年半绝缘砷化镓外延衬底达到了2900万平方英寸（折合4英寸230.9万片），到2017年，衬底需求将达到3160万平方英寸（折合4英寸251.6万片）。2013年底，红黄光LED、LD、太阳能用半导体砷化镓衬底市场的占有率达50%，预计到2017年市场占有率达到62%，需求半导体砷化镓衬底折合4英寸320万片。半绝缘和半导体砷化镓2017年全球全球销售额达到6.5亿美元。

台湾是全球最大大的红、黄光LED产业基地（约占全球的40%），目前以4英寸为主。2015年红黄光LED外延片和芯片总产值约10亿元，衬底材料需求近1.25亿元，折合4英寸衬底约8万片/月，其中晶元光电用量约6万片/月。韩国市场主要需求国内的砷化镓多晶用于红外LED材料。代表用户有：prowtech、Xtel.AUS等。年市场规模约1000万元，折合300～400kg/月。

4　国内应用市场状况

近十年是我国航天快速发展时代，需求量骤增，未来5年卫星通信用太阳能电池外延片市场规模在30万片/年以上。其中采用4英寸掺Si低阻砷化镓抛光片需求将达到2万片/年。

中国是全球第二的红、黄光LED产业基地（约占全球的30%），典型用户有三安光电、乾照光电、天津中环、山东华光、太时芯光等。三安光电是国内最大的全色系LED生产商，旗下厦门和天津分厂均使用砷化镓衬底。其中厦门厂以2英寸为主，2015年用量约2万片/月；天津厂以4英寸为主，用量约1万片/月。乾照光电是国内最大的红黄光LED厂家，以2英寸为主，用量约10～15万片/月。国内其他厂家以2英寸为主，总用量约5万片/月。另外，合肥彩虹、山西飞虹等公司也在陆续投产，产能规模有待进一步调研。成都海威华芯科技有限公司2016年4月8日0.25微米6英寸砷化镓、氮化镓微波集成电路生产线打通，填补国内空白，打破了国外对中国高端射频芯片的封锁，成为国家高端芯片供应安全重要保障。

5　展望

伴随着通讯技术和新能源产业的迅猛发展，砷化镓衬底在未来仍具有非常广阔的市场前景。未来5年内，国内半导体企业在大力发展4-6英寸低阻衬底片的同时，必将突破6-8英寸半绝缘单晶制备的关键技术形成批产能力。预计“十三五”期间，我国4英寸砷化镓生产线将具备月产30万片以上的生产能力，6英寸半绝缘砷化镓衬底将达到5万片/月。

［1］周春凤，兰天平，孙强.砷化镓材料技术发展及需求［J］.天津科技，2015.3，第42卷第3期：11-15.

［2］纪秀峰.砷化镓材料国内外现状及发展趋势［J］. LED产业及其材料技术市场高层论坛论文集，2010-08-09，中国会议.

［3］刘耀彬，胡观敏，我国LED产业的发展现状、趋势及战略选择［J］.科技进步与对策， 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

赵巧云（1984—），女，河北晋州人，工程师。2011年7月毕业于河北工业大学大学微电子学与固体电子学专业，并获工学硕士学位。现在中国电子科技集团公司第四十六研究所从事半导体材料科研管理与产业发展管理工作。

本论文受天津市科技计划项目支持（15ZLZLZF00200）。