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

王金灵廖彬

广东先导先进材料股份有限公司511517

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。

2GaAs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2GaAsIC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