6英寸砷化镓的现状及发展趋势

6英寸砷化镓的现状及发展趋势
摘要：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。

关键词：6英寸砷化镓；现状；发展趋势
引言：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砷化镓技术发展现状
1.1随着GaAsIC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SEMIM9.8标准。

半导体材料应用增多，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，造成了8英寸砷化镓衬底没
有形成量产。

（见图一）
图1
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。

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、德国费里伯格、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。

2 GaAs材料发展趋势
综上所述，现在及未来，GaAs材料的高频微波集成电路和发光器件，无论是
在国防或民用领域都有较大的需求量。

为此，GaAs材料厂家应根据不同器件的要求，提供不同参数的高质量、低成本的GaAs单晶。

就GaAsIC材料而言，为了提
高其集成度和达到产量化，晶片内Vth（阀值电压）必须低且均匀，晶片之间及
批与批之间的Vth均具重复性。

为此，必须严格控制晶体内的含碳量及降低位错
密度。

采用离子注入工艺制作GaAsIC，要求注入后热处理，其注入层电学参数重
复性及均匀性要好，高阻衬底热稳定性好。

这就要求单晶中的固有缺陷，如EL2
浓度、残留杂质（如硅、碳）及位错密度等要降低。

图2列出GaAsIC技术及工艺要求。

图2 GaAsIC技术与要求
关于发光器件如LED、LD，均要求GaAs材料具有低缺陷密度。

因为缺陷增加
复合中心，降低发光强度，使器件特别是LD的性能退化、寿命缩短。

无论是GaAsIC或发光器件均要求降低成本，这样才能广泛、大量应用，提高经济效益。

增加单晶直径和长度无疑是降低成本的一种手段。

以集成电路为例，16KbGaAsIC，芯片面积为7mm×7mm，Φ76mm晶片可作30个芯片，而Φ100mm晶片达到50
个芯片，为前者的1.7倍。

所以，增大单晶直径，芯片相应增加成本就降低。

但GaAs材料绝不会像硅材料那样，单晶直径能增大到300mm，这可能是GaAs为两
族元素材料，其材料比重较大，容易解理之故。

另外，随着GaAs单晶直径增大，晶片厚度也相应增加。

如Φ76mmGaAs晶片需要片厚度625μm，相当于Φ150mm
硅片厚度，而Φ150mmGaAs晶片厚度即达到1mm。

比同样直径硅材料厚度增加
近400μm，这样材料费用提高，加工设备相应投入较大，成本增加。

对于经济能
力有限的国家，生产GaAs材料更要全盘考虑，量力而行。

目前，日本GaAs材料电子器件（功率FET、MMIC、HEMT等）衬底以
Φ100mm为主，LED、LD发光器件主要使用Φ50mm和Φ63mm的GaAs衬底。

为
了提高GaAs材料的质量、降低成本，科研工作者在晶体生长工艺方面作了很多
研究和改良，使材料质量有了较大的提高。

表1国内某公司半绝缘砷化镓与国际先进水平的对比
根据StrategyAnalytics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2016年平板
电脑出货8000万台。

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。

国内外砷化镓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。

2016年全球GaAs芯片生产容
量达到了95亿美元。

《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360万片）。

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2018年市场占有率达到70%，需求半导体砷化镓衬底折合6英寸400万片。

半绝缘和半
导体砷化镓2018年全球全球销售额达到10亿美元。

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。

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。

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。

3砷化镓技术发展趋势分析
图3GaAs材料各种生长方法比较
前面已经分析了GaAs材料发光器件的市场情况，预计世界发光器件市场将增长12%，其中高亮度、短波长LED，高功率、高速化的红外LED及大功率的激光器，在未来的光通讯信息时代都是非常重要的半导体元件，发达国家如日本已投
入较大力量进行研究和开发。

这些器件均要求GaAs材料具大直径、低热应力和
低位错密度。

表中VB、VGF法，是近年开发的能生长大直径、低位错、低热应力、高质量GaAs单晶的生长方法。

其原理是把多晶GaAs、B2O3及籽晶真空封入石英管中，
炉体和装料的石英管垂直放置，熔融GaAs接触位于下方的籽晶后，缓慢冷却，
按<100>方向进行单晶生长。

此法能生长用于LED和LD的掺杂单晶，也能生长用
于IC的半绝缘GaAs单晶（装料改用氮化硼管）。

不足之处是生长单晶时，不容
易观察和判断单晶生长情况，只能靠经验。

若用计算机精确控制生长条件，则是
可行的科学方法。

就目前各法相比，VB或VGF法是很有前途的化合物半导体材
料的生长方法。

日本同和矿业、住友金属矿山、住友电气、三菱化学和美国CSI、AXT都看好用VB或VGF法生长GaAs单晶，并投入较大资金进行开发。

住友电气
和AXT已分别用VB和VGF法生产出Φ150mmGaAs单晶。

因此VB/VGF是将来生
长GaAs单晶的最佳方法。

结束语
从砷化镓材料产业的未来发展趋势来看，也必将沿着硅材料发展的历程前进，从2英寸、4英寸、6英寸工艺逐渐过渡到更大尺寸的工艺线。

本文论述了6英
寸砷化镓的现状，但是这些成果将会为更大尺寸砷化镓材料的工艺研究提供坚实
的技术基础。

可以相信，通过努力，我国的砷化镓材料一定会大批量进入国际市场，在竞争日趋激烈的国际市场占有一席之地。

参考文献：
[1]周春强.砷化镓材料技术发展及需求.天津科技.2010.3
[2]纪秀峰.砷化镓材料国内外现状及发展趋势.LED产业技术市场高层论坛论文集.2010.9
[3]刘耀敏.我国LED产业的发展现状、趋势及战略选择.科技进步与对
策.2010.8
[4]2017-2022年中国砷化镓市场现状研究及未来趋势分析报告。