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砷化镓材料应用与市场现状解析

www.91jinshu.com   2020-02-01  金智创新  王明
摘要 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。  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  砷化镓属III~V族化合物
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 摘要:砷化(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。

  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

  砷化镓属III~V族化合物半导体,闪矿型晶格结构,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具有重要特性: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;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;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;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;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。

  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。砷化镓材料的主要用途,见下表。

表1 砷化镓材料的主要用途

(来源:金智创新行业研究中心)

  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。

  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。

  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。


本文来源:金智创新  王明
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