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164t，化合物半导体单晶用90t(其中GaAs用70t，GaP用20t)，化合物半导体材料外延用72t(其中GaAs用48t，GaP用24t)，作其他用途及研究开发用镓量为2t［10］。

也就是说，1997年全世界用于生产GaAs单晶的镓量为70t，占总量的42.7%。

用上述方法推算，1997年全世界生产GaAs 单晶约130t。

估计在中长期内，世界对镓需求量会有较大增长。

10年内，全世界镓原料需求量可扩大到300～400t［6］。

若按1997年生产GaAs单晶所需镓用量比例计算，到2008年，全世界GaAs单晶的年需要量将达510～680t。

从表6可以看出，日本、美国及欧洲镓的用量较大，他们开发、生产GaAs材料器件也较发达。

表7［11］列出了世界各国生产GaAs材料衬底、外延片和芯片的主要公司(不含日本器件工厂)。

表6 世界对镓的需求量/t表7 世界生产GaAs衬底、外延及芯片的主要公司①从CSI进口；②与美国Spire合作；③日本OEM；④从LaserDiode 进口；●主导产品；○生产(大量、小规模)；△开发上表中没有列出日本国内如东芝、三洋电机等九个生产外延片和芯片的工厂。

下面简单介绍一下日本部分公司的发展动向［12］。

昭和电工：强化以LED为中心的化合物半导体产业，增加外延装置投入约30%。

开发超高亮度LED，长波长接收光用的PIN、AP外延片。

信越：对GaAs材料的高频、低功耗、高速器件特别重视。

住友电气：对GaAs单晶炉及外延装置投入较大力量，并计划1999年下半年用垂直布里奇曼(VB)法使Φ150mmGaAs单晶产量化。

日立电线：对发光器件(LED、LD)及高频器件(FET、HEMT、MMIC)市场看好，投入较大力量，并建立LEC法生长GaAsΦ150mm专用线，开始产量化［13］。

古河电工：加强发光器件LED、LD及高频器件HEMT、MMIC为中心的GaAs外延片生产能力，对GaAs为主的高附加值的外延投入较大的力量。

三菱化学：把21世纪光情报通讯为首的LD和LED器件作为支柱发展。

富士通投资300亿日元，建成世界最大的GaAsIC工厂［14］，其Φ100mmGaAs的月处理能力为2000片。

美国政府对化合物半导体材料极为重视，筹资3150万美元支持M/A-COM、AXT、Litton开发直径为Φ100～150mm的GaAs材料［15，16］。

据报道［14］，AXT已经用垂直温度梯度凝固法(VGF)提供Φ150mmGaAs单晶。

3 市场前景3.1 电子器件及外延片21世纪将是高度情报化的社会，个人或团体都需要及时、快速、大量地处理和传递信息、情报和数据。

为此，移动电话、卫星通迅、光纤通讯和毫米波通讯将迅速发展。

其中移动通讯，因其方便、轻巧、快捷，是当今发展最快的产业。

日本和欧美等发达国家的移动电话普及率已达到20%～30%，预计到2002年，全世界移动电话将以20%的速度增长［17］。

我国目前手机用户有1500万户，在今后5年内，每年将以100%以上的速度扩大。

2005年手机用户可达5000万以上，到2010年，中国将有1亿手机用户，为世界第一，其利润将以每年百亿、千亿美元计［18］。

毫米波通讯使用波长为毫米级，频率在30～75GHz范围，其直线性和方向性都好，可用于短距离高速通讯。

如办公情报终端的资料传送和汽车防碰撞全方位雷达系统，以及在多媒体时代，图像处理为中心的大容量情报传送，都需要高频率、处理速度快。

GaAs器件具备高频、高速、低噪声、低工作电压等功能。

所以，在这些领域非GaAs器件莫属。

可以预测，GaAs 集成电路将有较大的发展。

表8［13］为2000年GaAs集成电路应用领域的世界市场预测，表中可见，用于通讯的GaAsIC 将达到71%。

表8 GaAsIC 市场预测GaAs 材料不但有高迁移率，而且有半绝缘性质，容易设计出隔离性好、高速、高频、低噪声、低功率消耗的器件或集成电路，很好地满足通讯产业及个人电脑迅速发展的需求。

这无疑将推动GaAsIC 及FET 市场的快速增长，预计世界GaAsIC 及FET 市场，到2000年年均增长率将为15%，如表9所示［19］。

表9 世界GaAsIC 及FET 市场预测/百万美元表中可见，模拟IC 和数字IC 增长都较快，这是由于用途较广之故。

如模拟IC 除用于军事部门以外，移动通讯、汽车防碰撞系统及飞机、轮船等全方位雷达都存在很大的商业市场。

GaAs 材料器件无论是单管或是集成电路，外延工艺是最重要、又是高附加值的工艺。

例如：Φ100mmGaAs 衬底的价格约为2.5万日元/片，而外延片，价格约为10万日元/片［7］，增加约4倍。