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关键材料科普系列 | 一文读懂什么是砷化镓

发布时间:2022-06-14 11:45:18 浏览次数:413次

近年来,全球智能手机、LED显示、5G网络等行业深入发展,人们离万物互联的新时代越来越近,同时也催生了以砷化镓为首的第二代半导体材料商用需求,其产业也迎来了火热发展阶段。

No.1

砷化镓的产品特性和制备工艺

半导体材料可细分为衬底、靶材、化学机械抛光材料、光刻胶、电子湿化学品、电子特种气体、封装材料等。其中,衬底是半导体材料领域的关键材料之一。砷化镓(GaAs)作为第二代半导体衬底材料的代表,是全球用途最广泛、生产量最大的化合物半导体材料,也是继硅(Si)材料之后最重要的微电子材料之一。由于砷化镓具有本征载流子浓度低、光电特性好、电子迁移率高(是硅的5-6倍)、禁带宽度大(1.43eV,硅为1.1eV)且为直接带隙,容易制成射频器件和光电子器件,用砷化镓制成的射频器件具有高频、性能好、噪声小、抗辐射能力强等优点,能够满足多种场景需求。

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砷化镓与其他半导体材料对比,图源:稀金网

 

20世纪50 年代开始,科学家已开发出多种砷化镓单晶生长方法,主流的生长工艺包括:液封直拉法(LEC)、水平布里奇曼法(HB)、垂直布里奇曼法(VB)以及垂直温度梯度凝固法(VGF)等。HB方法最大能生长3英寸单晶,该方法的应用市场规模小,但近几年使用量较稳定。LEC方法可生长4英寸和6英寸的半绝缘砷化镓,当前使用量较少。近两年发展较快的是VGFVB方法,已经成为砷化镓材料的主流生产技术。目前砷化镓最前沿的成果是8英寸单晶,国际上商用水平最大直径为6英寸单晶。据了解,半导体衬底尺寸直接决定单个器件的成本,晶圆尺寸越大,器件的单价越低。随着大尺寸化合物半导体产业链的下游工艺、设备日益成熟,更大尺寸的砷化镓单晶衬底的使用即将成为行业发展趋势,日本Sumitomo以及美国AXT等公司均已掌握直径8英寸的砷化镓单晶生长技术。

No.2

砷化镓的下游应用、发展趋势

和市场规模

当前,砷化镓广泛应用于智能手机、光纤通信、卫星通讯、LED显示与太阳能电池等领域。砷化镓衬底分为半绝缘型和半导体型,其中半绝缘型砷化镓主要用于制作射频器件,半导体型砷化镓主要用于制作光电子器件,包括LED、激光器等。随着5G通信、新一代显示(MiniLEDMicroLED)、可穿戴设备等新兴市场的驱动,砷化镓的市场规模正持续扩大。

 

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5G应用场景多样,图源:网络

 

4G/5G智能手机领域,砷化镓成为了手机射频功率放大器(PA)及射频开关等手机射频器件的核心材料。PA是移动终端通信系统的核心组件之一,可理解为手机与外界通话、上网的连接桥梁。它的性能直接决定了移动终端可以支持的通信模式,以及接收信号强度等重要性能指标。根据Qorvo报告,5G手机中射频开关从4G手机的10个增加至30个、功率放大器平均单机价值从4G手机的3.25美元增加至7.5美元,可见在5G手机中砷化镓开启量价齐升的表现。在光纤通信领域,随着我国十四五数字经济发展规划、双千兆网络政策的出台,光纤已成为我国新基建中不可或缺的一部分。砷化镓凭借电子迁移率比硅高6倍的优势,被大量应用到大于2.5G比特/秒的光通信传输系统中。

 

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砷化镓市场规模预测, 图源:维科网显示

此外,在元宇宙产业的驱动下,催化了以Mini/Micro LED为主的新型显示技术快速发展,这也让LED用半导体型砷化镓的市场需求得到进一步拓展。新型LED显示屏幕所需的红黄光LED制作工艺极其复杂,难度极高,然而砷化镓衬底在用来生产红黄光LED方面具有天然的产品优势。目前,砷化镓红黄光LED主要用于室内及室外显示屏、汽车刹车灯、家用电器、交通指示灯、MiniLED显示屏等,是照明市场上的主要衬底材料。得益于下游新兴市场的壮大,砷化镓的年需求量也逐渐增多。据Yole数据显示,2019年全球砷化镓衬底市场销量(折合2英寸)约为2000万片,全球砷化镓衬底市场规模约为2亿美元;预计到2025年全球砷化镓衬底市场销量(折合2英寸)将超过3500万片。届时全球砷化镓衬底市场规模将达到3.48亿美元,年复合增长率达9.67%

No.3

欧美主导砷化镓产业链

国产砷化镓突围已初现苗头

目前,全球砷化镓厂商主要有德国Freiberger、日本住友、中国先导集团、美国AXT等,这四大厂商共占有大约79%的全球市场份额。多年来,我国的砷化镓材料行业由于投资强度不足且分散,基础研究较为薄弱,集成电路和功率器件用大直径砷化镓衬底生产技术还是掌握在欧美公司手中。我国为加快摆脱大尺寸砷化镓生长工艺受制于西方企业,追赶世界先进技术水平,科技部、工信部出台了多项产业政策,积极扶持第二代半导体材料产业发展。 

半导体材料作为半导体产业链上游中的重要组成部分,在集成电路、电子器件等高科技产品生产制造中起到关键作用。有关统计指出,预计到2027年全球砷化镓市场将达到38亿元,年复合平均增长率为12.18%。随着数字时代的加快到来,VR/AR设备、毫米波、大规模阵列天线技术以及小型基站等应用场景将持续大量运用砷化镓衬底,其未来市场需求将值得期待。

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