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砷化镓材料市场调研报告

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 砷化镓材料市场调研报告 

 

砷化镓产品简介

 

当今社会已经进入信息时代,信息社会的标志是大容量信息的采集、传输、和存储,而构成信息高速公路的基本单元是以计算机为代表的电子信息设备和大量的专用集成电路。这些都依赖于微电子技术和光电子技术的迅速发展,其基础就是半导体材料。所以,半导体材料是近年来国内、外发展最快的新材料领域之一。

 

半导体材料经过几十年的发展,目前基本形成三个系列,即以锗、硅为代表的元素半导体材料,也称第一代半导体材料。以砷化镓、磷化铟为代表的第二代Ⅲ﹣Ⅴ族化合物半导体材料。以及以碳化硅、氮化镓为代表的第三代宽禁带半导体材料。三代半导体并不存在相互替代的关系,而是在应用上各有侧重。硅材料的应用最为普及,是构成电子信息技术的主要支柱,砷化镓、磷化铟材料在工作速度、频率上优势明显,而碳化硅、氮化镓将在更高的工作温度和高频下更大的功率密度方面具有优势。

 

所谓Ⅲ﹣Ⅴ族化合物材料,应包括所有的三族元素(BAlGaInTl)和五族元素(NPAsSbBi)结合而成的化合物,人们先后开展的研究有几十种。其中做为电子信息材料的研究、应用较多的有 GaSbInAsInSbGaNGaPGaAsInP 等几种。其中 GaSbInAsInSb 几种材料主要用于制作红外光电器件和霍尔器件等,尽管很重要,但相对来说,市场总量较少,发展前景受到限制。GaN 材料按照化合物半导体的分类惯例,属于宽禁带半导体材料的范畴。GaP 材料属于间接带隙半导体,主要用于生产中、低亮度的发光管(LED),这一领域市场比较成熟,竞争十分激烈,并呈现出逐步被 GaAs 其超高亮度 LED 取代的趋势,发展的前景不容乐观。而 GaAsInP 材料由于自身的固有优点、在微电子、光电子领域同时具有重要作用,成为Ⅲ﹣Ⅴ族化合物材料的主要代表。

 

砷化镓是由砷和镓二种元素合成并生长成的一种Ⅲ﹣Ⅴ族化合物半导体材料,是一种性能优异的电子信息功能材料。

 

砷化镓材料目前是生产量最大、应用最广泛,因而也是最重要的化合物半导体材料,是仅次于硅的最重要半导体材料。由于其优越的性能和能带结构,使砷化镓材料在微波器件和发光器件等方面具有很大的发展潜力。目前砷化镓材料的先进生产技术仍掌握在日本、德国以及美国等国际大公司手中,国内的砷化镓生产企业主要以 LED 用、太阳能电池低阻砷化镓晶片为主,利润较低。利润较高的微电子用 4-6 吋半绝缘晶片目前还没有形成规模。

 

 

1、砷化镓材料的主要特性及用途

 

1.1 砷化镓材料的主要特性

 

砷化镓是典型的直接跃迁型能带结构,导带极小值与价带极大值均处于布里渊区中心,这使其具有较高的电光转换效率,是制备光电器件的优良材料。砷化镓材料禁带宽度为

 

1.42eV,远大于锗的 0.67eV 和硅的 1.12eV,因此,砷化镓器件可以工作在较高的温度下和承受较大的功率。

 

砷化镓材料与传统的硅半导体材料相比,它具有电子迁移率高、禁带宽度大、直接带隙、消耗功率低等特性。

1.2 砷化镓材料的用途

 

广泛应用于高频及无线通讯中制作的 IC 器件。所制出的这种高频、高速、防辐射的高温器件,通常应用于无线通信、光纤通信、移动通信、GPS 全球导航等领域。除在 IC 产品应用以外,砷化镓材料也可加入其它元素改变其能带结构使其产生光电效应,制成半导体发光器件,还可以制作砷化镓太阳能电池。

 

2、砷化镓材料的分类

 

2.1 按照应用领域不同的分类

 

砷化镓材料从应用领域的不同主要分为半绝缘高阻砷化镓材料和半导体低阻砷化镓材料。

 

第一类为半绝缘砷化镓材料,电阻率一般大于 107Ω·cm。半绝缘砷化镓材料约占整个砷化镓单晶市场需求的 36%左右,主要用于微波场效应器件(FET)、模拟集成电路、数字集成电路、光电子集成电路(OEIC)。由于手机等家用数字产品以及通讯基地用电子设备的市场发展,半绝缘砷化镓材料市场在近年有所提升。

 

第二类为低阻半导体砷化镓材料,约占砷化镓市场需求的 64%左右。主要用于发光二极管(LED)、微波器、太阳能电池及光电探测器(PD)、微波二极管等器件。

 

2.2 按照工艺方法不同的分类

 

目前国内常用的砷化镓晶体生长方法有四种,LEC 法(称为液封直拉法)、HB 法(称为水平布里奇曼法)、VB 法(称为垂直布里奇曼法)及 VGF 法(称为垂直梯度凝固法)。 LEC 法是生长非掺杂半绝缘砷化镓单晶的主要工艺。早期市场上 80%以上的半绝缘砷化镓都是 LEC 法生长的。HB 法和 VB 法是主要生产低阻半导体单晶的主要工艺。近年来由于世界上 VGF 法技术的不断突破,主要是生产砷化镓半绝缘和半导体单晶的主要工艺,目前已被普遍用于主要为微电子、光电子市场需求当中。VGF 法生产正在逐年加大。 

 

3、砷化镓生产工艺技术 

 

3.1 各种砷化镓单晶制备工艺法概述

 

3.1.1 液封直拉法(Liquid Encapsulated Czochralski,简称 LEC

 

LEC 法是生长非掺半绝缘砷化镓单晶(SI GaAs)的主要工艺,目前市场上 80%以上的半绝缘砷化镓单晶是采用 LEC 法生长的。LEC 法采用石墨加热器和 PBN 坩埚,以 B2O3 作为液封剂,在 2MPa 的氩气环境下进行砷化镓晶体生长。LEC 工艺的主要优点是可靠性高,容易生长较长的大直径单晶,晶体碳含量可控,晶体的半绝缘特性好。其主要缺点是:化学剂量比较难控制、热场的温度梯度大(100~150 K/cm)、晶体的位错密度高达 104 以上且分布不均匀。日本日立电线公司于 1998 年首先建立了 6 英寸 LEC 砷化镓单晶生产线,该公司安装了当时世界上最大的砷化镓单晶炉,坩埚直径 400mm,投料量 50 公斤,生长的 6 英寸单晶长度达到 350 mm。德国 Freiberger 公司于 2000 年报道了世界上第一颗采用 LEC 工艺研制的 8 英寸砷化镓单晶。

 

3.1.2 水平布里其曼法(Horizontal Bridgman,简称 HB

 

HB 法曾经是大量生产半导体(低阻)砷化镓单晶(SC GaAs)的主要工艺,使用石英舟和石英管在常压下生长,可靠性和稳定性高。HB 法的优点是可利用砷蒸汽精确控制晶体的化学剂量比,温度梯度小从而达到降低位错的目的。HB 砷化镓单晶的位错密度比 LEC 砷化镓单晶的位错密度低一个数量级以上。主要缺点是难以生长非掺杂的半绝缘砷化镓单晶,所生长的晶体界面为 D 形,在加工成晶片过程中将造成较大的材料浪费。同时,由于高温下石英舟的承重力所限,难以生长大直径的晶体。目前采用 HB 工艺工业化大量生产的主要是 2 英寸和 3 英寸晶体,报道的 HB 法砷化镓最大晶体直径为 4 英寸。目前采用 HB 工艺进行砷化镓材料生产的公司已经不多,随着 VB VGF 工艺的日渐成熟,HB 工艺有被逐渐取代的趋势。

 

3.1.3 垂直布里其曼法(Vertical Bridgman,简称 VB

 

VB 法是上世纪 80 年代末开始发展起来的一种晶体生长工艺,将合成好的砷化镓多晶、 B2O3 以及籽晶装入 PBN 坩埚并密封在抽真空的石英瓶中,炉体垂直放置,采用电阻丝加热,石英瓶垂直放入炉体中间。高温下将砷化镓多晶熔化后与籽晶进行熔接,然后通过机械传动机构由支撑杆带动石英瓶与坩埚向下移动,在一定的温度梯度下,单晶从籽晶端开始缓慢向上生长。VB 法即可以生长低阻砷化镓单晶,也可以生长高阻半绝缘砷化镓单晶。晶体的平均 EPD 5 000 /cm-2 以下。

 

 

3.1.4 垂直梯度凝固法(Vertical Gradient Freeze,简称 VGF

 

VGF 工艺与 VB 工艺的原理和应用领域基本类似。其最大区别在于 VGF 法取消了晶体下降走车机构和旋转机构,由计算机精确控制热场进行缓慢降温,生长界面由熔体下端逐渐向上移动,完成晶体生长。这种工艺由于取消了机械传动机构,使晶体生长界面更加稳定,适合生长超低位错的砷化镓单晶。VB VGF 工艺的缺点是晶体生长过程中无法观察与判断晶体的生长情况,同时晶体的生长周期较长。目前国际上商用水平已经可以批量生产 6 英寸的 VB/VGF 砷化镓晶体,Freiberger 公司在 2002 年报道了世界上第一颗采用 VGF 工艺研制的 8 英寸砷化镓单晶。

 

3.2 砷化镓晶体加工

 

晶体长成后,进行热处理以消除应力及改善电学性能,然后进行头尾切割、参数检测、滚圆、定向切割、倒角、研磨、抛光等精细加工,最终研制成具有优良几何参数和表面状态的抛光片。

 

砷化镓材料产品以抛光片形式为主,关键技术包括:多晶合成技术、单晶生长的热场设计技术、单晶生长的控制技术、晶体化学计量比精确控制技术、晶体中碳含量的控制技术、晶体的位错及微缺陷控制技术、晶体电学性能及均匀性控制技术、热处理技术、晶体的线切割技术、单面及双面抛光技术、抛光片的清洗技术、表面纯化处理技术、抛光片封装技术、晶体和晶片的各项性能分析测试技术等。 

 

3.3 砷化镓单晶主要质量参数

 

半绝缘砷化镓单晶材料的主要技术质量参数包括:直径、晶向、电阻率、迁移率、位错密度等。

 

低阻砷化镓单晶材料的主要技术质量参数包括:直径、晶向、电阻率、载流子浓度、位错密度等。

 

抛光片主要技术质量参数包括:厚度、总厚度变化(TTV)、表面平整度(TIR)、翘曲度(Warp)、粗糙度及表面颗粒度等。 

 

4、砷化镓 IC 加工及生产厂家

 

砷化镓单晶材料制成为 IC 器件,首先要加工成它的外延材料。这也是砷化镓单晶材料的最直接的应用市场。世界上有的砷化镓单晶材料生产厂家,也同时是进行砷化镓外延片的加工,这样可获得更高经济收益。但也有的是单独只生产砷化镓单晶材料。 

 

MOCVD 即金属有机化合物化学气相沉淀,是在气相外延生长(VPE)的基础上发展来的一种新型气相外延生长技术。该设备目前市场价为 2000 万元/台。设备主要由美国的 Veeco 公司和德国的 AxitronG 公司制造。 

 

4.2.1 台湾高平磊晶科技股份有限公司

 

台湾高平磊晶科技股份有限公司(以下简称高平磊晶)成为于 1990 2 7 日,位于新竹科技学园区,实际资本投资额为 10 亿新台币。主要法人投资者来自国内外半导体、通讯及光电等高科技产业,包括美国 Kopin Corporation Conexant Systems ,日本 Fujitsu Quantum Devices,及国内的宏捷科技、全球联合通信、联测科技及台扬科技等。

 

高平磊晶的主要产品是以砷化镓(GaAs)异质接口双载子晶体管(HBT)磊芯片为主。民国九十年十二月新厂启用至今,已安装完成四台有机化学气相沉积(MOCVD)机台、砷化镓材料分析、HBT 组件测试仪器与无尘室等生产设施,目前正进入量产计划,生产四吋与六吋砷化铝镓(AlGaAs)及磷化铟镓(InGaPHBT 磊芯片。 

 

4.2.2 新光电科技股份有限公司

 

新光电科技股份有限公司 ( VPEC ) 全新光电成立于 1996 11 月,是一个专业化合物半导体光电元件磊芯片制造公司,产品主要用于通讯微波半导体、光纤通讯、光储存用雷射及高亮度 LED 之产品。国内厂商初期发展化合物半导体,技术多仰赖美、日,较缺利基与自主性,因此全新光电一投入磊芯片市场,便以发展上游磊芯片作为公司定位,与他进行芯片制程与封装的同质公司进行市场区隔。

 

全新光电全力投入磊晶市场,目前已完成高亮度 LED 与通讯用 AlGaAsInGaP HBT 磊芯片量产技术,前者可应用于交通号志灯、汽车尾灯、第三煞车灯、户外型全彩显示看板等处;后者则是 GSMCDMAWCDMA 手机所使用高功率晶体管所需的元件,为全新光电主力产品,在通过美、日大厂严格认证后,目前已进行量产,全新光电已是全球微波半导体前五大制造厂商。

 

全新光电为专业磊晶代工厂,坚强的研发团队,完善的设备及完整的验证分析能力,可提供高水平之产品,并充分满足客户的需求。

  

4.2.3 晶茂达半导体科技股份有限公司

 

晶茂达半导体科技股份有限公司 为一专业化合物半导体磊芯片之制造厂商,2000 9 26 日成立于新竹科学工业园区;主要生产异质接面双载子电晶体(HBT)和高电子迁移率场效晶体管(HEMT)的磊晶片,应用于高频通讯组件,如手机、无线区域网络,光纤通讯、卫星通讯 LMDS、汽车防撞导航等方面。

 

 

4.2.4 巨鎵科技股份有限公司

 

巨鎵科技股份有限公司在 2000 年巨镓科技成立时,即定位为化合物半导体制造厂,专工由 ” 有机金属气相磊晶”技术 (MOVPE) 所生产之砷化镓磊芯片,来供应制造无线通讯用途之微波组件,如 HBT ( 异质接面双载子电晶体 ) HEMT ( 高速电子迁移率晶体管 ) MESFET ( 金属半导体场效晶体管 ) 。 在 2001 年巨镓科技建厂之初,无线通讯主要微波组件之市场即因全世界的经济不景气而开始衰退。在此艰困的环境下,巨镓科技依然尝试开启商机,并在日立电线株式会社之技术指导下,建立了供应 HBT HEMT 所需 MOVPE 磊芯片之先进制造及量测技术,同时被日立电线株式会社 评定为生产电子组件所需 MOVPE 磊芯片之合格 OEM 厂。自此,巨镓科技开始送高质量样品给台湾及海外客户验证。 在 2002 年时,巨镓科技所生产之有机金属气相磊芯片 (MOVPE) 已通过数家客户验证,也开始商业化的生产。 在 2003 年时,巨镓科技在日立电线株式会社之技术指导下,建立了供应光储存组件磊芯片应用之雷射二极管 (LD) 所需的有机金属气相磊芯片 (MOVPE) 之先进制造及量测技术,并被 日立电线株式会社 评定为生产 LD 所需 MOVPE 磊芯片 之合格 OEM 厂,现已开始商业化的生产。 200 4,巨镓科技在日立电线株式会社 之技术指导下, 导入高生产率之液相磊晶成长技术 (LPE) 来生产红光发光二极管 ( LED) 磊芯片。 

 

4.2.5 胜阳光电科技股份有限公司

 

胜阳以 VCSEL 磊芯片崭露头角,已成为台湾磊芯片界的一个奇兵。注重创新有远见有高度企业活力的胜阳,切入磊芯片产业的时间精准,早期投入高亮度 LED 磊晶与 HBT 的研发上成功的经验,不但在研发工作与设备维护上已累积了很多宝贵的经验与相当的知识,并拥有非常杰出斗志正高昂的研发团队,杰出的胜阳团队,不断迎接新的挑战朝向新的里程碑迈进,已成为专业的无线及光通讯磊芯片主要的供货商。 胜阳光电科技股份有限公司成立 87 8 月,早期从事 LEDLight Emitting Diode 发光二极管 )晶粒制程与高亮度 LED 磊芯片的研发。88 5 月高亮度 LED 磊芯片试产成功,89 10 月成功开发出 HBT Heterojunction Bipolar Transister 异质接面双载子晶体管)磊芯片,并于同年 11 月完成 VCSELVertical Cavity Surface Emitting Laser 垂直共振腔面射型雷射)磊芯片的先趋,成为国内首家唯一开发成功的公司,目前在国内 VCSEL 磊芯片市场,仅有胜阳光电能以全配套的客户优先服务方式供应客户,与国外的供货商相比只有胜阳提供之 VCSEL 磊芯片能以最具竞争性之价格,交货快速及优越质量等优势来服务客户。 

 

4.2.6 元砷光电科技股份有限公司

 

元砷光电科技股份有限公司于 2004 11 月核准上市,为国内发光二极管(LED)重要之磊晶与晶粒制造厂商,拥有超高亮度 InGaN(氮化铟镓)AlGaInP(磷化铝铟镓) LED 之专业生产技术,拥有多项独特专利,且是国内同业最早布局于高功率 LED 之厂商。于 2005.08 与联铨科技合并,联铨科技拥有丰富优异之专业磊晶技术,在超高亮度之四元 LED 与蓝光 LED 上为国内之翘楚。元砷光电合并联铨科技后,将结合双方之特有优势,在磊晶技术、专利、产能上更上一层楼,近期与国际专业 LED 大厂在技术与产能方面的合作下,元砷将踏上国际级 LED 专业大厂之舞台。 

 

4.2.7 稳懋半导体有限公司

 

稳懋半导体有限公司宣称是目前全球最佳的六英吋砷化镓晶片代工服务公司。它拥有一座最先进的生产线与广泛的技术能力,能够提供客户最佳质量的 HBTHEMT 离散组件/微波集成电路与后端制程的晶圆代工服务。稳懋的生产线在 2004 年已进入 4 班二轮 24 小时运作,年产能将超过一万片。

  

5、砷化镓应用领域及市场需求

 

5.1 砷化镓应用领域概述

 

砷化镓半导体材料与传统的硅材料相比,它的电子移动率约为硅材料的 5 . 7 ,。它具有很高的电子迁移率、宽禁带、直接带隙,消耗功率低的特性。因此,广泛运用於高频及无线通讯(主要为超过 1 G H z 以上的频率).适于制做 IC 器件。所制出的这种高频、高速、防辐射的高温器件,通常应用于激光器、无线通信、光纤通信、移动通信、GPS 全球导航等领域。砷化镓除在 I C 产品应用以外,也可加入其它元素改变能带隙及其产生光电反应,达到所对应的光波波长,制作成光电元件。由此可以看出,砷化镓材料的应用领域主要分为微电子领域和光电子领域。

 

在微电子领域中,使用的化合物半导体材料属于高端产品,主要用于制作无线通讯(卫星通讯、移动通讯)、光纤通讯、汽车电子等用的微波器件。

 

在光电子领域中,使用的化合物半导体材料属于低端产品,主要用于制作发光二极管、激光器及其它光电子器件。 

 

5.2 砷化镓在微电子领域的应用及市场现状

 

砷化镓 IC 器件在微电子领域应用市场主要表现在:无线通讯、光通讯、无线局域网、汽车电子产品、军事电子产品等方面。

 

 

5.2.1 无线通讯市场需求

 

有关统计表明:2014 年全球无线通讯砷化镓 IC 市场规模约为 35 亿美元,预估 2018 年全球砷化镓 IC 市场规模将成长至 62 亿美元。

 

砷化镓在微电子的应用范围,以射频 IC 为主。它的产品集中在 PA(功率放大器)LNA(低杂讯功率放大器)等通讯元件上,产品广度远不如可应运在资讯,通讯及消费性电子的硅 IC。但基于对未来无线通讯的成长可期,通讯元件的应用范围 会随着新通讯产品的推出而倍增,其应用领域有移动电话,无线电话,无线通讯,微波通讯及卫星通讯产品等。这些产品将会随着通讯网路的建构与普及而需求大增。所以就长期发展而言,对砷化镓 IC 的需求量也会愈来愈大。

 

砷化镓 IC 在手机中发射端的功率放大器(PA)、接收端的低噪声放大器和高速开关等,多由 GaAs IC 承担。它是手机中重要关键性零组件。一只典型的高质量手机通常包含 6-7 GaAs MMIC,因此无线通讯市场的走向对整个 GaAs 工业非常重要。

 

整个移动通讯技术的发展更是带动 GaAs 材料的技术进步与需求增长。移动通讯技术目前已基本实现第二代向 2.5G 的转移,同时正在逐渐实现 3G 产品。二代半技术对功放的效率和散热有更高的要求,这对 GaAs 有利。三代技术要求更高的工作频率,更宽的带宽和高线性,这也是对 GaAs 技术有利的。目前第四代(4G)的概念已明确提出,四代技术对手机有更高要求,它要求手机在楼内可接入无线局域网(WLAN),即可工作到 2.4GHZ 5.8GHZ,在室外可在二代、二代半、三代等任意制式下工作,因此这是一种多功能、多频段、多模式的移动终端。单一的 Si 技术显然更无法在那么多功能和模式上都达到性能最优。在移动通讯用砷化镓器件一直呈现增长趋势,年平均增长率 40-60%。因此有专家指出,“总体 GaAs 器件市场将继续主要依赖无线市场,手机市场是其主要增长动力。” 并预测,“到2008 年手机仍将至少占 GaAsIC 市场的 33% 

 

5.2.2 无线通讯市场需求

 

光纤通信具有高速、大容量、传输业务信息多的特点,是构筑“信息高速公路”的主干,成为现代信息社会的支柱产业。而移动通信包括陆基、卫星移动通信及全球定位系统,最终实现在任意时间、任意地点与任何通信对象进行通信的理想境界,其市场容量十分巨大。

 

光纤通信中,大于 2.5G 比特/秒的光通信传输系统,其光通信收发系统均需采用 GaAs 超高速专用电路。光通信发展极为迅速,据国外报道,光纤通信模拟