砷化镓应用发展历程分析及砷化镓衬底、砷化镓外延片发展趋势分析

一、砷化镓概念及应用

第一代单元素半导体，以硅和锗等为代表，其中硅基半导体材料是目前产量最大、成本最低、应用最广的半导体材料。第二代III-V 族化合物半导体，以砷化镓和磷化铟等为代表，具有电子迁移率高、光电性能好等特点，是当前仅次于硅之外最成熟的半导体材料，在5G 通信、数据中心、新一代显示、无人驾驶、可穿戴设备、航天等方面有广阔的应用前景；第三代宽禁带半导体，以氮化镓和碳化硅等为代表，具有高禁带宽度、耐高压和大功率等特点，在通信、新能源汽车等领域前景广阔，目前成本较高。

砷化镓（galliumarsenide）是一种无机化合物，化学式为GaAs，为黑灰色固体，熔点1238℃。它在600℃以下能在空气中稳定存在，并且不被非氧化性的酸侵蚀。

各代半导体材料的物理性质对比

资料来源：北京通美

二、砷化镓的发展及应用

砷化镓应用可分为三个阶段，第一阶段自20世纪60年代起，砷化镓衬底开始应用于LED及太阳能电池，并在随后30年里主要应用于航天领域。第二阶段自20世纪90年代起，随着移动设备的普及，砷化镓衬底开始用于生产移动设备的射频器件中。第三阶段自2010年起，随着LED以及智能手机的普及，砷化镓衬底进入了规模化应用阶段，2017年iPhone X首次引入了VCSEL用于面容识别，砷化镓衬底应用场景再次拓宽。2021年，随着Apple、Samsung、LG、TCL等厂商加入Mini LED市场，砷化镓衬底的市场需求将迎来爆发性增长。

三、砷化镓产业链模型解析

二代半导体产业链包括上游的衬底制造、外延加工，以及中游的IC设计、制造、封测和下游应用等环节。1）砷化镓衬底材料主要由Freiberger、Sumitomo等行业龙头供应，磷化铟衬底材料则由Sumitomo、日本JX等供应；2）外延加工市场则是由IQE、全新光电等少数寡头占据，但一些垂直整合制造（IDM）厂商自己也生产外延片；3）中游的IC设计、制造、封测等环节，行业存在IDM和代工两种主流模式，前者从芯片设计到生产都由IDM厂自身完成，后者的芯片设计公司（被称为Fablesshouse）仅具有设计功能，其晶圆制造和封装测试外包给外界专业厂负责。4）下游应用包括射频、光电子、LED和光伏等板块。

砷化镓和磷化铟产业链及各生产环节主要厂商

资料来源：公开资料

四、砷化镓衬底行业发展分析

——砷化镓产业链最上游为砷化镓晶体生长和衬底生产加工环节。衬底是外延层半导体材料生长的基础，在芯片中起到承载和固定的关键作用。生产砷化镓衬底的原材料包括金属镓、砷等，先通过人工合成砷化镓多晶，再利用生长技术制备砷化镓单晶，最终经过切割、磨边、研磨、抛光、清洗等工艺得到砷化镓衬底，整个过程生产设备主要涉及晶体生长炉、研磨机、抛光机、切割机、检测与测试设备等。

原材料价格波动影响可控，衬底厂商构建稳健供应体系。从成本结构角度看，半导体衬底的原材料成本占比不高，根据北京通美IPO二轮问询函回复，2021年砷化镓衬底供应商北京通美的直接材料成本占比为43.88%，硅衬底供应商沪硅产业为44.25%，碳化硅衬底供应商天岳先进为35.46%。砷化镓主要原材料市场价格的波动，不会大幅增加衬底厂商产成品相应的成本，且原材料的价格变化会一定程度上传导至终端产品。目前，衬底供应商主要通过与关键原材料供应商股权合作、完善全球化采购体系、自主研发生产要素、构建循环生产体系等方式保障原材料和设备采购的稳定性。

砷化镓衬底制备流程图

资料来源：北京通美

砷化镓衬底可分为半绝缘型和半导体型。较纯砷化镓晶体中掺入Ⅵ族元素Te、Se、S等或Ⅳ族元素Si，可获得N型半导体；掺入Ⅱ族元素Be、Zn等可制得P型半导体；掺入Cr或提高纯度可制成电阻率高达10 7 ～10 8 Ω·cm的半绝缘材料。1）半绝缘型砷化镓衬底主要用于高频通信器件，近年以手机市场为代表的无线通讯市场快速拉动半绝缘砷化镓市场规模的增长；2）半导体型砷化镓衬底主要应用在LED和VCSEL（垂直腔面发射激光器）等光电子器件，随着MiniLED和Micro LED技术的成熟，半导体型砷化镓市场需求将进一步拓展。

砷化镓衬底材料的发展趋势是大直径、长尺寸化。砷化镓衬底的直径越大，在单片衬底上可制造的芯片数量越多，制造单位芯片的成本也越低；在圆形的衬底上制造矩形的芯片会使衬底边缘处的一些区域无法被利用，而衬底的直径越大，相对而言衬底边缘的损失会越小，有利于进一步降低芯片的成本。砷化镓衬底向大直径发展的同时，单晶体的生长长度也需要不断提升。根据北京通美招股书，目前全球砷化镓衬底以4-6英寸为主流直径，但Freiberger等龙头衬底厂商均已具备8英寸砷化镓衬底生产能力。

——全球砷化镓衬底市场集中度较高。全球砷化镓衬底市场主要生产商包括Freiberger、Sumitomo和北京通美。其他国产衬底厂商发展仍处于初级阶段。近几年由于半导体照明产业的拉动作用，其他国产衬底厂商发展速度有所加快，但也仅限于低端LED所用的砷化镓衬底，还无法供应高端LED（如汽车大灯LED等）所需的衬底材料；目前集成电路和功率器件用的大直径半绝缘砷化镓材料生产技术都掌握在头部衬底供应商手中，其他国产衬底厂商在大直径砷化镓生产方面与龙头企业仍存在很大技术差距。

Yole预计全球折合二英寸砷化镓衬底市场销量约为2000万片2025年将超3500万片。

五、砷化镓外延片行业发展分析

砷化镓外延片是砷化镓产业链的关键材料。外延生长是指在经过切、磨、抛等仔细加工的单晶衬底（基片）上生长一层有一定要求的、与衬底晶向相同的单晶层，犹如原来的晶体向外延伸一段。新单晶可以与衬底为同一材料，也可以是不同材料（即同质外延和异质外延）。由于新生单晶层按衬底晶向延伸生长，从而被称之为外延层（厚度通常为几微米），长了外延层的衬底称为外延片（外延片=外延层+衬底）。器件制作在外延层上为正外延，若器件制作在衬底上则称为反外延，此时外延层只起支撑作用。外延生长的新单晶层可在导电类型、电阻率等方面与衬底不同，还可以生长不同厚度和不同要求的多层单晶，从而大大提高器件设计的灵活性和器件的性能。

MOCVD 和MBE 外延法各具优势。MOCVD成长薄膜时，主要将载流气体通过有机金属反应源的容器时，将反应源的饱和蒸气带至反应腔中与其它反应气体混合，然后在被加热的衬底上面发生化学反应促成薄膜的成长；MBE成长条件则透过元素加热方式，借由超高真空环境的腔体，将所需外延元素加热升华形成分子束，当分子束接触衬底后，就可形成所需外延结构。根据拓墣产业研究公众号，若以量产速率分析MOCVD和MBE外延设备的优缺点，MOCVD为气相方式导入反应腔体，其速度较MBE快1.5倍（MBE需时间加热形成分子束）；但以外延质量来说，由于MBE可精准控制分子束外延成长，因此相较MOCVD有较佳结果。

砷化镓外延片制备流程图

资料来源：公开资料

外延厂商多数采用MOCVD法。MOCVD技术生长速率更快，更适合产业化大规模生产，头部外延厂商中IQE、全新光电、HitachiCable采用该工艺；MBE技术生成的外延材料质量好，但生长的速度较慢，根据英特磊2021年年报，全球仅有IQE和英特磊两家专业外延代工厂采用此工艺（IQE掌握MOCVD和MBE两种制程技术）。

射频、传感应用多采用外包外延模式，通信、LED市场多采用IDM模式。分应用市场来看，1）GaAs射频市场约90%采用外延生产外包模式，2019年IQE和全新光电合计占据市场份额80%以上；2）GaAs LED市场几乎均由垂直整合制造的Osram、三安光电、晶元光电、乾照光电等IDM厂商占据；3）GaAs光电子市场商业模式取决于应用：数据通信市场主要由Finisar、Avago、II-VI等IDM厂商主导，智能手机的3D传感和VCSEL市场则以外延外包为主。

 全球主要砷化镓外延片厂商梳理

资料来源：公开资料