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你不一定知道砷化鎵

（2024年11月23日更新）

什么樣的半導體會習慣貴族？它有什么神秘之處？他的特點是什么？它的制備方法和產業鏈是什么？其終端應用產品的市場分布如何？接下來，本文將介紹砷化鎵的材料屬性優勢、制備工藝、具體應用場景等，希望梳理砷化鎵的一些問題。文章中的一些數據作者根據官方公布的數據進行了一定程度的基本處理，所有圖片來源都注明了來源。此外，本文的公司排名與公司實力無關，沒有作者的主觀觀點，只是介紹問題；同時，由于作者信息有限，如果介紹不當，作者現在道歉！望知悉。

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什么是砷化鎵？

砷化鎵(GaAs)作為第二代半導體，價格昂貴，被稱為半導體貴族。砷化鎵是繼硅之后最成熟的化合物半導體材料，具有頻率高、電子遷移率高、輸出功率高、噪音低、線性好等優點。它是光電子和微電子行業最重要的支撐材料之一。以砷化鎵為代表的第二代半導體廣泛應用于高頻、高速、大功率、低噪聲、耐高溫、耐輻照等集成電路領域，已發展成為現代電子信息產品和信息高速公路的關鍵技術G芯片市場很好，產品供不應求。砷化鎵(GaAs)近年來，隨著物聯網的發展，它是光電和手機網通高頻通信不可或缺的組成部分(loT)、車聯網及Al(人工智能)應用激增，各國加快建設5G基礎設施，加蘋果iPhoneX引入面部識別功能，帶動砷化鎵VCSEL對高級通信元件的需求大幅增加。面對砷化鎵行業的大商機，國內外砷化鎵和光電廠都力搶進。以下是砷化鎵材料與其它半導體材料的性能對比：

表1、砷化鎵材料與其他半導體材料的屬性比較

砷化鎵廣泛應用于遙控、手機、DVD許多光電子領域，如計算機外設、照明等。此外，由于其電子遷移率是硅的6倍，砷化鎵已成為超高速、超高頻設備和集成電路的必需品。它也廣泛應用于軍事領域，是激光導彈的重要材料。它曾在海灣戰爭中表現出巨大的力量，贏得了砷化鎵擊敗鋼鐵的美譽。砷化鎵單晶片的價格約為同尺寸硅單晶片的20至30倍。盡管價格昂貴，但砷化鎵半導體的年銷售額仍超過10億美元。在十五計劃中，中國將實現產品產業化，占領國際市場。

砷化鎵的制造工藝

砷化鎵，作為一種化合物半導體，其生產過程類似于大多數化合物半導體碳化硅、磷化鎵，包括多晶合成、單晶生長后切割、磨邊、研磨、拋光、清洗等工藝后真空包裝成品，其中多晶合成、單晶生長是核心工藝。但它也有自己獨特的特點，本文將詳細介紹單晶片和襯底的特點：

1. 砷化鎵單晶

砷化鎵單晶砷化鎵單晶導帶為雙能谷結構，最低能谷位于第一布里淵區中心，電子質量為0.068m0 (m0為電子質量，見載流子)，次低能谷位于<111>L點的方向比最低能谷高0左右.29eV，其電子有效質量為0.55m0.價帶頂約位于布里淵區中心，價帶中輕空穴和重空穴的有效質量分別為0.082m0和0.45m0。電子和空穴遷移率分別為8萬cm/(V·s)和100～300cm/(V·s)，少數載流子的壽命為10-2~10-3μs。在其中摻入Ⅵ族元素Te、Se、S等或Ⅳ族元素Si，N型半導體可與之混合Ⅱ族元素Be、Zn可制成P型半導體，摻入Cr或提高純度產生高達107~108的電阻率Ω·cm半絕緣材料。

制備GaAs單晶方法包括區熔法和液封直拉法。可通過擴散、離子注入、氣相或液相外延和蒸發等方法制成PN結、異質結、肖特基結、歐姆接觸等。近十年來，由于分子束外延和金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)技術發展，可在GaAs異質結和超晶格結構是在單晶襯底上制備的，這些結構已經制成了高電子遷移率晶體管等新型半導體器件(HEMT)、異質結雙極晶體管(HBT)激光器等，為GaAs材料的應用開發了更廣闊的前景。

2. 砷化鎵外延材料

外延材料的制備采用氣相沉積或液相沉積的方法，使砷化鎵或其他材料的單晶膜生長在砷化鎵或其他材料的表面，統稱為砷化鎵外延材料。如果襯底和外延層由同一材料組成，則稱為同質結外延層，如果由不同材料組成，則稱為異質結外延層。延伸材料可為單層結構或多層結構。砷化鎵外延材料的制備方法與大眾化合物半導體相似，主要包括氣相外延法和液相外延法。氣相外延法：通過氣相運輸和氣相反應實現薄膜生長的過程。砷化鎵外延層通常采用氯化物法和氫化物法生長，Ga-AsCl3-H2已成為氯化物法的代表工藝，其特點是易于實現高純生長。1970年，麻省理工學院華爾夫(Walf)砷化鎵氣相外延層的電子濃度和電子遷移率為n77k＝7×1013cm-3和μ77k＝2.1×105cm/(V·s)；液相外延法：砷化鎵飽和溶液在一定溫度下通過冷卻過飽和，然后在砷化鎵襯底上生長砷化鎵膜。根據1969年的報告，結果是：77K電子濃度和電子遷移率為n77k＝7.6×1012cm-3、μ77k＝1.75×105cm/(V·s)。

3. 綜合而言

與單晶制備方法相比，砷化鎵晶體的主流生長工藝包括LEC法、HB法、VB法以及VGF法等，其中Sumitomo砷化鎵單晶生產VB法為主，Freiberger以VGF和LEC北京通美以法律為主，而北京通美則以法律為主VGF法為主。目前，中國涉及砷化鎵襯底業務的公司很少。除北京通美外，廣東先進材料有限公司等公司正在生產中LED砷化鎵襯底有一定規模。

對于各種方法的比較，本文介紹如下：

①目前單晶直徑 HB 法生長的最大單晶直徑通常是 3 英寸，LEC 法生長的單晶直徑最大 12 英寸，但使用 LEC 單晶晶體設備投入成本高，晶體不均勻，位錯密度高。目前 VGF 法和 VB 單晶直徑最大可達8英寸，晶體均勻，位錯密度低；②與其他方法相比，單晶質量VGF晶體位錯密度低，生產效率穩定；③在生產成本方面，HB法律成本最低，LEC法律成本最高，VB法和VGF法生產的產品性能相似，但VGF該方法取消了機械傳動結構，以更低的成本穩定生產單晶。下圖顯示了國內公司與國家砷化鎵行業標準的比較：

圖1、半絕緣砷化鎵與國際先進水平的比較

全球競爭格局

砷化鎵晶體生長、襯底和外延片在砷化鎵產業鏈上游生產加工。襯底是外延層半導體材料生長的基礎，在芯片中起著承載和固定的關鍵作用。砷化鎵襯底的原料包括金屬鎵、砷等，由于自然界中沒有天然砷化鎵單晶，需要人工合成；砷化鎵襯底生產設備主要包括晶體生長爐、研磨機、拋光機、切割機、檢測試設備等。砷化鎵產業鏈下游應用主要涉及5G通信，新一代顯示（Mini LED、Micro LED）、無人駕駛、人工智能、可穿戴設備等領域。

由于行業整體規模小，非標準化程度高，化合物半導體主要是OEM模式。歐美主導砷化鎵產業鏈，中國臺灣省廠商壟斷OEM。日本住友，德國住友Freiberger和美國的AXT總市場份額約占全球半絕緣襯底的90%。受襯底尺寸限制，目前的生產線主要是4英寸和6英寸晶圓，一些企業也開始引進8英寸生產線，但尚未形成主流。因為砷化鎵是以Emitterbase-Collector以垂直結構為主，晶體管數量僅為100個數量級；硅晶圓是Source Gate Drain在平面設計中，晶體管的數量達到了數千萬的數量級，因此砷化鎵在工藝研發上沒有硅晶圓代工業那么明顯。

4、6 英寸半絕緣砷化鎵拋光片的生產技術主要掌握日本居民電工（Sumitomo Electric Industries）、費里伯格，德國（Freiberger Compound Material）、美國 AXT 三家公司手中。這些公司的產品占砷化鎵市場的絕大多數。砷化鎵單晶生長技術也晶率高，成本低VB/VGF轉移單晶生長技術。到2015年，6寸襯底已占市場份額的90%以上。6英寸半絕緣砷化鎵產品的電阻率為107Ω·cm覆蓋到108Ω·cm，晶體軸向和徑向電阻率均勻性高。拋光片的加工幾何參數，如TTV、Warp、LTV也很小。拋光片的表面質量狀態也很好，如顆粒少、表面鈍化等，產品保存時間長。具體世界市場分布如下圖所示：

圖2顯示了砷化鎵材料的世界市場分布

注:圖片來源于北京通美招股說明書

砷化鎵產業鏈

注:圖片來源于北京通美招股說明書

全球砷化鎵襯底市場集中度較高。Yole據統計，2019年全球砷化鎵襯底市場的主要制造商包括Freiberger、Sumitomo和北京通美，其中Freiberger占比 28%、Sumitomo北京通美占21%和13%。砷化鎵晶體的主流生長過程包括LEC法、HB法、VB法以及VGF法等，其中Sumitomo砷化鎵單晶生產VB法為主，Freiberger以VGF和LEC北京通美以法律為主，而北京通美則以法律為主VGF法為主。目前，中國涉及砷化鎵襯底業務的公司很少。除北京通美外，廣東先進材料有限公司等公司正在生產中LED砷化鎵襯底有一定規模。由于下游應用市場需求持續強勁，砷化鎵襯底AdvancedLinearDevices代理市場規模將繼續擴大。根據Yole據估計，2019年全球相當于2英寸砷化鎵襯底市場銷量約為2000萬件，預計到2025年全球相當于2英寸砷化鎵襯底市場銷量將超過3500萬件；2019年全球砷化鎵襯底市場規模約為 2 預計1億美元 2025 年度全球砷化鎵襯底市場規模將達到 3.48 億美元，2019-2025年復合增長率9.67%。

砷化鎵的用途

砷化鎵是目前主流的化合物半導體材料之一，其應用可分為三個階段。砷化鎵襯底從20世紀60年代開始應用于第一階段LED以及太陽能電池，主要用于航天領域。自20世紀90年代以來，隨著移動設備的普及，砷化鎵襯底開始用于生產移動設備的射頻設備。自2010年以來，第三階段一直存在LED隨著智能手機的普及，砷化鎵襯底已進入2017年等大規模應用階段，iPhone X首次引入了VCSEL用于面部識別和生產 VCSEL 砷化鎵襯底需要使用，砷化鎵襯底的應用場景再次拓寬。2021年，隨著Apple、Samsung、LG、TCL等廠商加入Mini LED砷化鎵襯底的市場需求將迎來爆炸性增長。目前，砷化鎵襯底主要用于下游設備，包括射頻設備LED、激光器。

(一)砷化鎵射頻器件應用介紹

射頻設備是實現信號發送和接收的關鍵設備。射頻設備主要包括功率放大器、射頻開關、濾波器、數模/模數轉換器等設備。其中，功率放大器是放大射頻信號的設備，直接決定了移動終端和基站的無線通信距離和信號質量。砷化鎵一直是制造射頻功率放大器的主流襯底材料之一。4G時代起，4G隨著基站建設和智能手機的不斷普及，對制造智能手機射頻器件的砷化鎵襯底需求開始增加。進入5G時代之后，5G通信對功率、頻率和傳輸速度提出了更高的要求。砷化鎵襯底制成的射頻設備非常適合長距離、長通信時間的高頻電路。因此，在5中G砷化鎵在射頻器件中的材料優勢更為顯著。隨著5G大量的基站建設將為砷化鎵襯底的需求帶來新的增長驅動力；同時，單部5G手機使用的射頻器件數量將比4G隨著手機數量的急劇增加，對砷化鎵需求的增長。伴隨5G通信技術的快速發展和不斷推廣，5G基站建設及5G手機的推廣將穩步增長砷化鎵基射頻器件。

手機中射頻（RF）設備的成本越來越高。一個4G全網通手機，前端RF套件的成本已達8-10美元，包括超過10個射頻芯片，包括2-3個PA、2-4開關，6-10濾波器。未來隨著5G的到來，RF套件的成本很可能超過手機主芯片。此外，物聯網的爆發必然會將射頻設備的需求推向高潮。一般情況下，的射頻芯片通常占整個線路面板的30%-40%。據悉，一部iPhone 射頻芯片的成本高達24美元，據報道，蘋果今年對射頻芯片的投資將超過30美元。隨著智能手機迭代的加快，射頻芯片也將迎來一波高峰。

根據Yole預計2025年全球射頻器件砷化鎵襯底市場銷量將超過965.70萬件，2019-2025年復合增長率為6.32%。2025年全球射頻器件砷化鎵襯底市場規模將超過9800萬美元，2019-2025年復合增長率為 5.03%。據YOLE數據分析銷售和市場規模預測如下：

圖4、砷化鎵襯底銷量及射頻器件市場規模預測

注:圖片來源于北京通美招股說明書

(二)砷化鎵材料LED應用介紹

LED它是由化合物半導體(砷化鎵、氮化鎵等)組成的固體發光器件，能將電能轉化為光能。由不同的材料制成 LED 會發出不同波長、不同顏色的光，LED 根據發光顏色可分為單色 LED、全彩 LED 和白光 LED 等類型。LED 可根據芯片尺寸分為常規 LED、Mini LED、Micro LED 等類型，包括常規 LED 主要用于通用照明、戶外顯示屏等，Mini LED、Micro LED 應用于新一代顯示。Mini LED2022年3月9日，背光市場成交量加快：TCL發布三款Mini LED新一代電視產品發布QD-Mini LED技術，除了TCL包括三星、索尼、LG創維、小米、華為、海信等國際品牌不斷研發推出Mini LED背光電視。據LEDinside，2022年整體Mini LED與2021年相比，背光電視萬臺，比2021年翻倍。根據筆電Omdia根據最新調查，2021年配備了最新調查Mini LED背光筆電面板出貨量達到450萬片，筆電滲透率飆升至1.6%，2022年Mini LED預計筆電面板出貨量為990萬片，滲透率為3%。隨著Mini LED技術不斷成熟，良品率逐步提高，Mini LED每年背光成本下降15-20%，Mini LED已成為當代主流顯示技術，滲透率有望加快。

Mini/Micro LED大規模應用主要有兩個方向，一個是RGB直接顯示，使用Mini/Micro LED顯示方案可以實現更小的尺寸和更高的分辨率；另一種是使用Mini/Micro LED作為背光方案，應用于背光方案TV、車載、筆記本電腦、顯示器等。其中，Mini LED背光技術可以有效地改善液晶顯示器在對比度和能耗方面的不足；同時，依托世界上最成熟、最具規模優勢的液晶顯示產業鏈，預計將率先在消費市場上大規模應用。“Mini LED技術要求更高，主要是超大屏幕需求，價格高，消費群體有限。MiniLED背光模塊可應用于電視、筆記本電腦、平板電腦、顯示器等，提高這些應用的顯示效果，提高產品溢價空間，更好地滿足消費者的需求。

隨著LED照明普及率不斷提高，常規LED芯片和設備的價格不斷下降。常規LED芯片尺寸為mm，砷化鎵襯底技術要求相對較低，屬于砷化鎵襯底低端需求市場，產品附加值低，主要由國內砷化鎵襯底企業占據，市場競爭激烈；新一代顯示Mini LED 和 Micro LED芯片尺寸為亞毫米和微米，對砷化鎵襯底的技術要求很高，市場主要由世界第一梯隊制造商占據。據YOLE數據分析，LED設備銷售和市場規模預測如下：

圖五、LED砷化鎵襯底銷量及市場規模預測

注:圖片來源于北京通美招股說明書

根據 Yole 預測，Mini LED 及 Micro LED 2025年，全球對砷化鎵襯底的需求迅速增長 Mini LED 及 Micro LED 砷化鎵襯底(相當于2英寸)的市場銷售將從 2019年的 207.90 萬片增長至 613.80 萬片，年復合增長率為 19.77%；2019 年全球 Mini LED及 Micro LED 砷化鎵襯底的市場規模約為 1,700 萬美元，預計到 2025 年度全球砷化鎵襯底市場規模將達到 7,000 一萬美元，年復合增長率為26.60%。

圖六、1990—2030年LED增長預測圖

注:圖片來源于北京通美招股說明書

(3)砷化鎵激光器應用介紹

激光器是一種由大量光學材料和部件組成的綜合系統，采用受激輻射產生可見光或不可見光。利用砷化鎵電子遷移率高、光電性能好的特點，可用于人工智能、無人駕駛等應用領域。根據 Yole 激光器是砷化鎵襯底未來五年最大的應用增長點之一。預計到2025年，全球激光砷化鎵襯底(相當于2英寸)的市場銷量將從2019年的106.2萬增長到330.3萬，年復合增長率為20.82%；預計到2025年，全球激光砷化鎵襯底的市場容量將達到 6,100 年復合增長率為萬美元 16.82%。據YOLE激光器件的銷售和市場規模預測如下：

圖七、2019-2025 全球激光器件砷化鎵襯底預計銷量和市場規模

注:圖片來源于北京通美招股說明書

在具體應用方面，未來五年激光砷化鎵襯底的需求增長主要是由于 VCSEL 需求拉動。VCSEL它是一種垂直于襯底表面的半導體激光器。在應用場景中，多個激光器經常同時排列在襯底的多個方向，形成面部識別和全身識別的并行光源。目前，它已廣泛應用于智能手機中。

VCSEL作為3D隨著傳感技術的基本傳感器， 5G 由于物聯網傳感技術的廣泛應用，通信技術和人工智能技術的發展，VCSEL 市場規模不斷增長，尤其是 VCSEL為發射源的 3D 三維相機將迎來一個快速發展的時期D 相機是一種可以記錄立體信息并顯示在圖像中的相機，可記錄物體的縱向尺寸、縱向位置和縱向移動軌跡。此外，VCSEL作為 3D 在生物識別、智能駕駛、機器人、智能家居、智能電視、智能安全等方面，傳感器3D建模、人臉識別和VR/AR新興領域應用前景廣闊。

根據Yole預測，隨著3D傳感技術在各個領域的深度應用，VCSEL隨著砷化鎵襯底的需求增加，市場將繼續快速發展。2019年，全球VCSEL砷化鎵襯底(相當于2英寸)的銷量約為93.89萬件，預計將達到 2025年將增長到29.32萬片，年復合增長率達到21.32%；2019年全球 VCSEL 砷化鎵襯底市場規模約為2100萬美元，預計將達到 2025 全球砷化鎵襯底市場規模將超過5600萬美元，復合年增長率為17.76%。據YOLE數據分析，VCSEL砷化鎵器件銷售及市場規模預測如下：

圖八、VCSEL砷化鎵器件銷售市場規模預測

注:圖片來源于北京通美招股說明書

目前，半導體激光行業的企業很少。一般來說，涉足半導體激光行業的公司始終專注于半導體激光芯片的研發、設計和制造。其部分產品包括高功率單管系列產品、高功率巴條系列產品和高效率VCSEL高功率半導體激光芯片的列產品，逐步實現高功率半導體激光芯片的定位。目前，許多公司跟上下游市場的發展趨勢，不斷開發領先的產品、創新優化制造技術、布局建設生產線，形成了半導體激光芯片、設備、模塊和直接半導體激光四類、多系列產品矩陣，為半導體激光行業垂直產業鏈公司。其中VCSEL該系列產品可廣泛應用于光纖激光器、固體激光器和超快激光器D傳感與攝像、人臉識別與生物傳感等領域。