2022年版中国砷化镓（半导体）行业市场需求现状调研分析及市场趋势研究报告

报告编号：3882

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砷化镓属于第二代半导体，具有远优于第一代硅半导体的频率、功率和耐压性能。 半导体材料是制作半导体元件的核心，是芯片和电子设备制造工业的基础。砷化镓属于III V族化合物半导体，是第二代半导体材料的代表，其物理性能远优于第一代硅材料。砷化镓的禁带宽度大于硅，可以耐受更高电压；砷化镓的电子迁移率更是硅的6~7倍，因此高频性能十分优异。

——衬底材料是砷化镓芯片产业链中最基础的环节，衬底质量直接决定下游芯片产品的性能。砷化镓半导体材料的物理性质是芯片能够实现功率放大、开关、发光等功能的基础，所以衬底材料的单晶度、各向一致性、缺陷和位错密度等都会极大地影响最终芯片产品的性能表现。尤其是在高端的射频芯片领域，衬底材料的质量更是芯片制造的重中之重。
1）砷化镓多晶合成。自然界中不存在砷化镓晶体，需要通过人工合成制备。将单质砷和单质镓按一定比例装入 PBN 坩埚中，在高温高压环境下合成砷化镓多晶。
2）砷化镓单晶棒生长，方法主要有 HB 法、LED 法、VGF 法等。由于砷化镓比硅热导率低，热膨胀系数比硅大，造成砷化镓晶体形成比硅困难，同时砷化镓生长过程中控制位错密度的难度也比硅大。目前主流的生产砷化镓衬底材料的工艺有水平布里奇曼法（HB）、液封切克劳斯基法（LEC）、垂直梯度冷凝法（VGF）等。其中 HB 法制作简单、成本低，但是不易生长半绝缘型砷化镓；LEC 法适合生长大尺寸单晶，也能生长半绝缘型，但是成本较高，维护不便；VGF 法也能生产半绝缘型材料，而且位错密度低，成本较低，适合规模生产，但是生产中容易出现双晶、花晶等现象。
3）晶棒经过定向、滚圆、切割、倒角、磨片、清洗等初加工流程，制备成晶片。晶棒需要被打磨成圆形，然后在钢丝锯和 SiC 切割液的帮助下被切成薄片。薄片的边缘还需要被切成斜角，再经过初步打磨和清洗后被制成晶片。
4）晶片需要经过抛光、清洗等精加工过程。初加工后的晶片需要进一步抛光、清洗，确保表面的平整度和洁净度非常高。
5）精加工后晶片被真空封装送入成品库。精加工后砷化镓晶体表面极易氧化，需要真空封装后入库。
砷化镓单晶片向大直径化发展。砷化镓最早见报于 1929 年，由一名叫高的斯密特（Goldschmid）的科学家合成出来。直到 1952 年，德国科学家威尔克（Welker）才发现GaAs 材料具有半导体的电学性质。1962 年，中国研制出了我国第一个 GaAs 单晶样品。2001 年，北京有色金属研究总院成功研制出国内第一根直径 4 英寸 VCZ 半绝缘砷化镓单晶。砷化镓单晶片经历了直径从 2 寸到 4 寸（100mm） 6 寸到（150mm）再到 8 寸（200mm）的发展历程，总的发展趋势是晶体大直径化。
保证质量前提下，生产更大尺寸的衬底是降低芯片制造成本的重要前提条件。假设晶粒尺寸是 1.2 mm，晶粒间距是 0.2 mm，晶圆边缘 5 mm 为无效带。计算得到 3 寸的衬底可以生产有效晶粒约 1662 个，而 6 寸衬底的晶粒数量大幅上升至 7682 个。6 寸衬底是 3寸面积的 4 倍，但晶粒数量是 4.6 倍，从单位衬底面积来说大尺寸衬底产量更大；另一方面，单片衬底制造的晶粒越多，加工环节的生产效率就越高，加工生产成本也会下降。所以总体来说，制造更大的砷化镓衬底是芯片成本下降的重要前提条件。
——砷化镓单晶片可以分为半导体型和半绝缘型，广泛应用于射频通信、LED、红外探测器、激光等领域。根据电阻的不同，砷化镓材料可以分为半导体型和半绝缘型。其中半导体型砷化镓主要用来制作 LED 衬底，属于相对低端的应用。半绝缘型砷化镓电阻比半导体型高 10 个数量级左右，主要用于高速、高频器件，是射频通信领域的核心材料。
半绝缘型砷化镓衬底由于电阻率较高、高频性能好，主要用来制作手机中的 PA 元件，作用是将手机的通信信号放大，再通过天线发射出去。一般 4G 手机中会使用 5 个左右 PA元件。半导体型砷化镓的应用主要是在 LED，因为砷化镓发红光，所以是制备红色 LED的衬底材料。另一个更为高端的半导体型衬底应用是在 垂直共振腔表面发射激光器（VCSEL），主要用在通信系统和 3D 成像，比如手机中的 3D 人脸识别模块。