砷化镓材料发展和市场前景

砷化镓是Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体中最重要、用途最广的半导体材料。它是由两种元素组成的化合物，和单元素的硅、锗半导体材料有很多不同点，其中适于制造高频、高速和发光器件是它的最大特征。此外，GaAs材料还具有耐热、耐辐射及对磁场敏感等特性。所以，用该材料制造的器件也具有特殊用途和多样性，其应用已延伸到硅、锗器件所不能达到的领域。即使在1998年世界半导体产业不景气的状况下，GaAs材料器件的销售市场仍然看好［1］。当然，GaAs材料也存在一些不利因素，如：材料熔点蒸气压高、组分难控制、单晶生长速度慢、材料机械强度弱、完整性差及价格昂贵等，这都大大影响了其应用程度。然而，GaAs材料所具有的独特性能及其在军事、民用和产业等领域的广泛用途，都极大地引起各国的高度重视，并投入大量资金进行开发和研究。本文对发达国家GaAs材料器件的发展动态、产销情况和世界市场前景进行综述。希望从中能得到一些有益的启示。

1 GaAs材料应用民用化

GaAs材料的电子迁移率比硅高约5倍，其器件的运算速度也比硅高得多。数字GaAsLSI用于开发超高速计算机是很理想的器件。在七八十年代，人们纷纷预测GaAs材料将在超高速计算机中发挥极大作用，并投入相当的财力、人力进行研究。但自从开发出硅材料的互补型金属氧化物半导体集成电路(CMOS)，由于其工作电压较低、功耗较低、速度较高、价格便宜，致使GaAsIC开发超高速计算机暂时放慢了速度。

随着冷战的结束，很多军用技术研究将转入民用开发。当今，科学的高速发展，技术的频繁交流及商务的往来，极需迅速传送及处理情报信息。如何满足如此专用和大量的情报高速传递?首先需要将信号作高频化和数字化处理，为此要求半导体器件满足高频、高速、低噪声、低工作电压。这正是GaAs材料器件自身所具备的独特性能。所以用GaAs材料制作的电子器件如：金属半导体场效应晶体管(MESFET)、高迁移率晶体管(HEMT)、微波单片集成电路(MMIC)、异质结双极晶体管(HBT)等在移动通讯、光纤通讯、卫星广播、情报处理及汽车防碰撞系统等领域发挥着硅器件不能替代的作用，这大大推动了半绝缘GaAs材料的发展。

在光电器件方面：由于体积小、节能、响应快、寿命长，广泛用于家电、办公设备、广告牌、交通信号灯、汽车尾灯等的可见光发光二极管(LED)，用于作摇控器、光隔离器、编码器及个人电脑、办公设备的无线连接、近距离情报传送的红外发光二极管，以及广泛用于CD、MD、DVD 及医疗、工业等领域的激光器(LD)及卫星通讯用的太阳电池，其应用都是面向民用和产业，这都将极大推动掺杂导电型GaAs材料的发展。表1列出了GaAs材料器件的分类和用途［2～4］。

表1 砷化镓材料器件的种类和用途

ATM:非同步马达；FDD：软盘驱动装置；PAR：全方位雷达；LAN：近距离情报通信网

2 GaAs材料器件产销情况

2.1 日本GaAs材料器件产销情况

日本是化合物半导体材料及器件的主要生产国家之一。其产销量在世界化合物半导体材料器件销售市场中占较大份额。表2列出了1994

年日本化合物半导体材料器件在世界市场的占有率。

表2 日本化合物半导体材料器件的世界市场占有率/%

关于GaAs单晶生产情况，各国均不报道GaAs单晶的具体生产数字，但可以从生产GaAs单晶所使用的原料镓的消耗量来推算。1994年至1999年日本生产GaAs材料及外延的镓用量列于表3［5］。

表3 日本生产GaAs单晶及外延用镓量/t

从表中可见，从1996年至1999年，日本GaAs单晶及外延使用的镓量每年都在增加，其平均增长率约为13.6%。1998年，日本生产GaAs

单晶所使用的镓量为35t，用作GaAs外延的镓量为40t。若按拉晶85%成晶合格率计算，1998年日本生产GaAs单晶约60t。

1997年，日本化合物半导体材料器件销售额为467亿日元，其中GaAs 为238亿日元，约占总销售额的51%，其器件分别为可见光LED70亿日元，红外光LED42亿日元，激光器49亿日元，若合称为发光器件，即约占GaAs材料器件销售额的59.7%。GaAs材料电子器件如HEMT、MMIC、HBT等约96亿日元，约占40.3%。而1993年日本发光器件占总销售额62.4%，电子器件只占35%，其他(霍耳元件、太阳电池、光敏元件)为2.6%［6］，1995年至1998年日本化合物材料器件销售情况如表4所示［7，8］。

表4 日本化合物半导体器件销售情况/百万日元

表中可见光LED含GaP材料(约占63%)，LD中含少部分InP、GaSb 材料。从表中可以看到，GaAs材料的电子器件增长较快，激光器及红外光电二极管都有不同程度的增长。

2.2 世界GaAs材料器件产销情况

GaAs是化合物半导体的主要材料，各国均没有具体数字报道。据日本大藏省贸易统计，部分国家和地区近年来化合物半导体材料的出口情况如表5所示［9］。

表5 部分国家和地区化合物半导体材料的出口统计/kg

从上表可看出，美国生产化合物半导体材料占绝对优势。由于各国和地区生产化合物半导体材料的品种不同，单从数字看，1998年比1997年减少约6%，但销售额仍增加了0.1%，达到170亿日元。下面再看看发达国家生产化合物半导体材料及外延的镓用量情况。因为镓是生产GaAs 材料的主要元素之一，其使用量可直接衡量出GaAs材料器件的开发和生产水平的高低。表6列出了从1994年至1999年世界对镓的需求量和地区的分布［5］。

从表中可见，世界对镓的需求量1999年预测将达到167t，比1998年增加了11t，其均集中在日、美、欧等发达国家，说明这些国家对化合物半导体材料、器件的需求量在增大。其中又以日本增幅最明显，预计1999年比1998年增加了8t。增加的镓都用于GaAs材料的生产(如表3所示)，可以看出1999年日本GaAs单晶材料及LED外延的增幅较大，也就意味着1999年日本的GaAs微波器件及高亮度发光二极管和红外发光二极管增幅较大。镓的用途分布以1997年为例，世界对镓总需求量为