砷化镓材料发展和市场前景

砷化镓是Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体中最重要、用途最广的半导体材料。它是由两种元素组成的化合物，和单元素的硅、锗半导体材料有很多不同点，其中适于制造高频、高速和发光器件是它的最大特征。此外，GaAs材料还具有耐热、耐辐射及对磁场敏感等特性。所以，用该材料制造的器件也具有特殊用途和多样性，其应用已延伸到硅、锗器件所不能达到的领域。即使在1998年世界半导体产业不景气的状况下，GaAs材料器件的销售市场仍然看好［1］。当然，GaAs材料也存在一些不利因素，如：材料熔点蒸气压高、组分难控制、单晶生长速度慢、材料机械强度弱、完整性差及价格昂贵等，这都大大影响了其应用程度。然而，GaAs材料所具有的独特性能及其在军事、民用和产业等领域的广泛用途，都极大地引起各国的高度重视，并投入大量资金进行开发和研究。本文对发达国家GaAs材料器件的发展动态、产销情况和世界市场前景进行综述。希望从中能得到一些有益的启示。

1 GaAs材料应用民用化

GaAs材料的电子迁移率比硅高约5倍，其器件的运算速度也比硅高得多。数字GaAsLSI用于开发超高速计算机是很理想的器件。在七八十年代，人们纷纷预测GaAs材料将在超高速计算机中发挥极大作用，并投入相当的财力、人力进行研究。但自从开发出硅材料的互补型金属氧化物半导体集成电路(CMOS)，由于其工作电压较低、功耗较低、速度较高、价格便宜，致使GaAsIC开发超高速计算机暂时放慢了速度。

随着冷战的结束，很多军用技术研究将转入民用开发。当今，科学的高速发展，技术的频繁交流及商务的往来，极需迅速传送及处理情报信息。如何满足如此专用和大量的情报高速传递?首先需要将信号作高频化和数字化处理，为此要求半导体器件满足高频、高速、低噪声、低工作电压。这正是GaAs材料器件自身所具备的独特性能。所以用GaAs材料制作的电子器件如：金属半导体场效应晶体管(MESFET)、高迁移率晶体管(HEMT)、微波单片集成电路(MMIC)、异质结双极晶体管(HBT)等在移动通讯、光纤通讯、卫星广播、情报处理及汽车防碰撞系统等领域发挥着硅器件不能替代的作用，这大大推动了半绝缘GaAs材料的发展。 在光电器件方面：由于体积小、节能、响应快、寿命长，广泛用于家电、办公设备、广告牌、交通信号灯、汽车尾灯等的可见光发光二极管(LED)，用于作摇控器、光隔离器、编码器及个人电脑、办公设备的无线连接、近距离情报传送的红外发光二极管，以及广泛用于CD、MD、DVD及医疗、工业等领域的激光器(LD)及卫星通讯用的太阳电池，其应用都是面向民用和产业，这都将极大推动掺杂导电型GaAs材料的发展。表1列出了GaAs材料器件的分类和用途［2～4］。

表1 砷化镓材料器件的种类和用途

(MESFETHEMT)

GaAlAs/GaAs

处理 [个人电脑] 低工作电 [ATM] [画像处 压 理]

移动通讯、卫星 成本 广播、 高功率、低 低、 微波器件 GaAs/GaAs 通讯 低噪声接收、放 噪声、 大直 (MESFETHEMT GaAlAs/GaAs (微 大、 高集成、 径、 模拟 GaAlAs/InGaAs/GaAs 波) 发射、汽车防碰 低工作电 Vth 低且 ICMMICHBT) InGaP/GaAs/GaAs 撞系统、 压 重复性 [PAR] 好 霍耳器件 GaAs/GaAs 民用 产业 汽车 VTR、 低成 FDD 传感器、 高灵敏度 本、 位置检测传感器 大直径 器件 材料要 技术 求 动向

光电器件

材料(工作层/衬底)

应用领域

用途

可见光 LED

GaAsP/GaAs(红) GaAlAs/GaAs(高亮度 红) InGaAlP/GaAs (高亮度橙*黄)

家电、DA、电 子设备显示、 广告牌、汽车 民用产业 尾灯、 传真用光源及 信号灯

高亮 度、 短波 长化

低成 本、 大直径

红外 LED

GaAs/GaAs GaAlAs/GaAs

家电、DA、 电子产业机 高功 械、 率、 民用产业 遥控及光耦合 高速 器、 化 光断路器 光通信交换 机、 高功 光 LAN 用发光 率、 光通信产 器件、 集成 业 各种检测设备 化 发光器件

半导体激光器 短波长 LD

GaAs/GaAs GaAlAs/GaAs(780nm) InGaAlP/GaAs(680~ 630nm)

民用

低位 错、 CD、MD、激光 大直 高功 打印机 径、 率、 CD-Rom、 低成本 短波 DVD-Rom、 长化 DVD-RAM

ATM:非同步马达；FDD：软盘驱动装置；PAR：全方位雷达；LAN：近距离情报通信网

2 GaAs材料器件产销情况

2.1 日本GaAs材料器件产销情况

日本是化合物半导体材料及器件的主要生产国家之一。其产销量在世界化合物半导体材料器件销售市场中占较大份额。表2列出了1994年日本化合物半导体材料器件在世界市场的占有率。

表2 日本化合物半导体材料器件的世界市场占有率/%

关于GaAs单晶生产情况，各国均不报道GaAs单晶的具体生产数字，但可以从生产GaAs单晶所使用的原料镓的消耗量来推算。1994年至1999年日本生产GaAs材料及外延的镓用量列于表3［5］。

表3 日本生产GaAs单晶及外延用镓量/t

从表中可见，从1996年至1999年，日本GaAs单晶及外延使用的镓量每年都在增加，其平均增长率约为13.6%。1998年，日本生产GaAs单晶所使用的镓量为35t，用作GaAs外延的镓量为40t。若按拉晶85%成晶合格率计算，1998年日本生产GaAs单晶约60t。 1997年，日本化合物半导体材料器件销售额为467亿日元，其中GaAs为238亿日元，约占总销售额的51%，其器件分别为可见光LED70亿日元，红外光LED42亿日元，激光器49亿日元，若合称为发光器件，即约占GaAs材料器件销售额的59.7%。GaAs材料电子器件如HEMT、MMIC、HBT等约96亿日元，约占40.3%。而1993年日本发光器件占总销售额62.4%，电子器件只占35%，其他(霍耳元件、太阳电池、光敏元件)为2.6%［6］

，1995年至1998年日本化合物材料器件销售情况如表4所示［7，8］。

表4 日本化合物半导体器件销售情况/百万日元

表中可见光LED含GaP材料(约占63%)，LD中含少部分InP、GaSb材料。从表中可以看到，GaAs材料的电子器件增长较快，激光器及红外光电二极管都有不同程度的增长。 2.2 世界GaAs材料器件产销情况

GaAs是化合物半导体的主要材料，各国均没有具体数字报道。据日本大藏省贸易统计，部分国家和地区近年来化合物半导体材料的出口情况如表5所示［9］。

表5 部分国家和地区化合物半导体材料的出口统计/kg

从上表可看出，美国生产化合物半导体材料占绝对优势。由于各国和地区生产化合物半导体材料的品种不同，单从数字看，1998年比1997年减少约6%，但销售额仍增加了0.1%，达到170亿日元。下面再看看发达国家生产化合物半导体材料及外延的镓用量情况。因为镓是生产GaAs材料的主要元素之一，其使用量可直接衡量出GaAs材料器件的开发和生产水平的高低。表6列出了从1994年至1999年世界对镓的需求量和地区的分布［5］。

从表中可见，世界对镓的需求量1999年预测将达到167t，比1998年增加了11t，其均集中在日、美、欧等发达国家，说明这些国家对化合物半导体材料、器件的需求量在增大。其中又以日本增幅最明显，预计1999年比1998年增加了8t。增加的镓都用于GaAs材料的生产(如表3所示)，可以看出1999年日本GaAs单晶材料及LED外延的增幅较大，也就意味着1999年日本的GaAs微波器件及高亮度发光二极管和红外发光二极管增幅较大。镓的用途分布以1997年为例，世界对镓总需求量为

164t，化合物半导体单晶用90t(其中GaAs用70t，GaP用20t)，化合物半导体材料外延用72t(其中GaAs用48t，GaP用24t)，作其他用途及研

［10］

究开发用镓量为2t。也就是说，1997年全世界用于生产GaAs单晶的镓量为70t，占总量的42.7%。用上述方法推算，1997年全世界生产GaAs单晶约130t。估计在中长期内，世界对镓需求量会有较大增长。10年内，全世界镓原料需求量可扩大到300～400t［6］。若按1997年生产GaAs单晶所需镓用量比例计算，到2008年，全世界GaAs单晶的年需要量将达510～680t。

从表6可以看出，日本、美国及欧洲镓的用量较大，他们开发、生产GaAs材料器件也较发达。表7［11］列出了世界各国生产GaAs材料衬底、外延片和芯片的主要公司(不含日本器件工厂)。

表6 世界对镓的需求量/t

表7 世界生产GaAs衬底、外延及芯片的主要公司

①从CSI进口；②与美国Spire合作；③日本OEM；④从LaserDiode进口；●主导产品；○生产(大量、小规模)；△开发

上表中没有列出日本国内如东芝、三洋电机等九个生产外延片和芯片的工厂。下面简单介绍一下日本部分公司的发展动向［12］。昭和电工：强化以LED为中心的化合物半导体产业，增加外延装置投入约30%。开发超高亮度LED，长波长接收光用的PIN、AP外延片。信越：对GaAs材料的高频、低功耗、高速器件特别重视。住友电气：对GaAs单晶炉及外延装置投入较大力量，并计划1999年下半年用垂直布里奇曼(VB)法使Φ150mmGaAs单晶产量化。日立电线：对发光器件(LED、LD)及高频器件(FET、HEMT、MMIC)市场看好，投入较大力量，并建立LEC法生长

GaAsΦ150mm专用线，开始产量化［13］。古河电工：加强发光器件LED、LD及高频器件HEMT、MMIC为中心的GaAs外延片生产能力，对GaAs为主的高附加值的外延投入较大的力量。三菱化学：把21世纪光情报通讯为首的LD和LED器件作为支柱发展。富士通投资300亿日元，建成世界

［14］

最大的GaAsIC工厂，其Φ100mmGaAs的月处理能力为2000片。 美国政府对化合物半导体材料极为重视，筹资3150万美元支持M/A-COM、AXT、Litton开发直径为Φ100～150mm的GaAs材料［15，16］。据报道［14］，AXT已经用垂直温度梯度凝固法(VGF)提供Φ150mmGaAs单晶。

3 市场前景

3.1 电子器件及外延片

21世纪将是高度情报化的社会，个人或团体都需要及时、快速、大量地处理和传递信息、情报和数据。为此，移动电话、卫星通迅、光纤通讯和毫米波通讯将迅速发展。其中移动通讯，因其方便、轻巧、快捷，是当今发展最快的产业。日本和欧美等发达国家的移动电话普及率已达到20%～30%，预计到2002年，全世界移动电话将以20%的速度增长［17］。我国目前手机用户有1500万户，在今后5年内，每年将以100%以上的速度扩大。2005年手机用户可达5000万以上，到2010年，中国将有1亿手机用户，为世界第一，其利润将以每年百亿、千亿美元计［18］。毫米波通讯使用波长为毫米级，频率在30～75GHz范围，其直线性和方向性都好，可用于短距离高速通讯。如办公情报终端的资料传送和汽车防碰撞全方位雷达系统，以及在多媒体时代，图像处理为中心的大容量情报传送，都需要高频率、处理速度快。GaAs器件具备高频、高速、低噪声、低工作电压等功能。所以，在这些领域非GaAs器件莫属。可以预测，GaAs集成电路将有较大的发展。表8［13］为2000年GaAs集成电路应用领域的

世界市场预测，表中可见，用于通讯的GaAsIC将达到71%。

表8 GaAsIC市场预测

GaAs材料不但有高迁移率，而且有半绝缘性质，容易设计出隔离性好、高速、高频、低噪声、低功率消耗的器件或集成电路，很好地满足通讯产业及个人电脑迅速发展的需求。这无疑将推动GaAsIC及FET市场的快速增长，预计世界GaAsIC及FET市场，到2000年年均增长率将为15%，如表9所示［19］。

表9 世界GaAsIC及FET市场预测/百万美元

表中可见，模拟IC和数字IC增长都较快，这是由于用途较广之故。如模拟IC除用于军事部门以外，移动通讯、汽车防碰撞系统及飞机、轮船等全方位雷达都存在很大的商业市场。

GaAs材料器件无论是单管或是集成电路，外延工艺是最重要、又是高附加值的工艺。例如：Φ100mmGaAs衬底的价格约为2.5万日元/片，而外延片，价格约为10万日元/片［7］，增加约4倍。所以，很多国际大公司对外延工艺投入较大的力量。今后，

GaAs外延片市场如何?表10［20］为2000年GaAs外延片直径、外延方法和地区分布的世界市场预测。

表10 世界GaAs外延片市场预测

从表10中可见，2000年世界GaAs衬底材料仍以Φ76mm、100mm为主。外延方法MBE占绝对优势。美国和日本仍是GaAs晶片外延的主要生产大国。

3.2 光电器件

21世纪也是情报通讯时代的社会，以GaAs为主的化合物半导体材料的可见光LED、红外LED、光敏元件、激光器及其相关装置如CD、MD、MO、DVD和个人电脑等的需求量将大幅度增加［12］。普及于家电的遥控器、OA、FA传感器及照相机测距的红外LED，作PC/PDA/Printer/Fax等计算机外围办公设备的空间数据资料传输用及道路交通情报通讯系统(VICT)用的高速、高功率红外LED，将有广阔的市场。

表11是日本部分发光器件和相关产业1998年的销售及1999年的生产预测［21］。

表11 日本部分发光器件及相关设备产销预测/百万日元

从表中可看到，作为发光器件的激光器1999年将增长27%，发光二极管增长15%。装置中如CD，DVD-Rom、数字复印机等增长较大。这些装置都与激光器有关，如发光波长为635～680nm的红色激光器，能降低DVD杂音，使之小型化和减少成本。短波长、高功率的LD及用于第二代高密度DVD的蓝色LD，这些都将有较大需求量。用于光纤通讯的长波长LD，一般使用InP衬底。而新的化合物半导体材料GaInNAs与GaAs有良好的晶格匹配，使用GaAs作衬底材料，能制造价格便宜、温度特性好、

发光波长为1.3μm及1.55μm的长波长激光器。开发高集成度、垂直于衬底发出激光束的面发光激光器，其适宜于光计算机电源［22］。开发用于通讯、医疗及加工机械等领域的高功率激光器。这些器件都有广阔的应用前景。

半导体激光二极管在欧洲市场也非常看好，1997年其销售额为3822百万美元，预计1999年达到4300百万美元，以年均增长率26%的速度发展。到2004年将达到9839百万美元［23］。

再看看世界市场，据世界半导体市场统计(WSTS)预测［24］，1999年世界光电器件市场将增长12%，其中激光器增长16%，光耦合器增长13%，红外LED增长5%，显示器增长10%，如表12所示。

表12 世界光电器件市场及预测/百万美元

世界光电器件1999年总销售额将达到63.14亿美元(含CCD电荷耦合器9.53亿美元)，其中激光器12.42亿美元。化合物半导体发光器件产、研、销的地区，主要集中于日、美和欧洲，但预计1999年，亚太地

［24］

区将发展较快，其增长率将达到17%，如表13所示。

表13 发光器件地区分布占有率及增长率预测

目前，全世界LED芯片月生产能力约40亿只，而台湾月产达20亿只(主要是普通可见光LED—作者)，成为世界最大的LED生产据点，日本月产15亿只，欧洲月产5亿只［25］。

4 GaAs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。表14列出GaAsIC技术及工艺要求［25］。

表14 GaAsIC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［5］。 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15［2，26］列出了目前各种GaAs生长方法的优缺点。

表15 GaAs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HB(布里奇曼)法是利用砷气雾，精确控制固化时单晶的砷离解，使材料组分均匀，降低固液交界面附近的温度梯度，减少固化后单晶的残余热应力，从而达到降低位错的目的。HB法用石英舟装载原料，并按

<111>方向水平生长，单晶形状为“D”形，加工成(100)圆片，从切片到滚圆，材料损失较多。此外，因GaAs熔融液较重，生长温度又接近石英软化点，容易使石英舟变形，难以生长直径大于Φ76mm的GaAs单晶。但此法，设备投资较低，技术较成熟，仍是目前适用于LED和LD的掺硅或掺锌GaAs材料的主要生长方法。

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，无法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［27］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［9］已分别用VB和VGF法生产出Φ150mmGaAs单晶。 蒸气压控制切克劳斯基法(VCZ)也是近年开发的方法，其与LEC法不同的是在LEC炉内设计一个内存V族元素气氛的密封容器，GaAs融液在B2O3覆盖下，在密封容器中进行拉制单晶的生长方法。此法固液交界面温度梯度少，生长的GaAs单晶表面砷不会被蒸发，从而使单晶表面保持有金属光泽。其EPD(位错密度)比原LEC法降低一个数量级，残余热应

力降低半个数量级［28］。此法是生长用于GaAsIC的大直径、高质量GaAs单晶的很有前途的方法。住友用此法已成功拉制出Φ150mmGaAs单晶。 从以上分析和表15可见，VB/VGF及VCZ是将来生长GaAs单晶的最佳方法，而HB法仍是目前提供制造激光器、红外发光二极管的Φ50mm、Φ63mm衬底材料的成熟工艺。当然，改良HB生长方向，使加工损耗减少，也很有潜力可挖。

5 结束语

尽管生产GaAs材料投资较大(包括设备、原材料)，晶体生产技术难，但GaAs材料、器件的优异性能及其制造技术的日趋成熟，成本下降和器件的多品种、多功能，使其在军事、民用及产业等领域显示出巨大的潜力和重大的商业价值。估计在未来10年内，以GaAs为主的化合物半导体材料、器件需求量将以年均10%～15%的速度增长。从上述资料可以看到，美、日等发达国家在该领域占绝对优势，他们技术先进、开发和生产有较强实力，但仍投入较多资金进行研究、开发。而我国，因条件所限，化合物半导体产业研究基础较薄弱，单晶生长、加工、器件制造等涉及较多资金、较难技术和较长周期(指单晶生长慢)等因素，且这些又非为中小企业、研究单位独立所能解决，也不能靠引进技术(因为这些技术不象硅材料那样成熟，尤其是单晶生长和材料加工，各国都在保密情况下进行)。要使我国GaAs为主的化合物半导体材料、器件尽快赶上世界先进水平，在国际上占有一席之地，国家应发挥社会主义优越性，以大协作、联合攻关等形式，组织有一定基础的单位，对材料与加工、外延与器件、器件与整机等课题进行攻关，政府在资金上重点支持，并有专门机构进行科学组织、协调。严格制定指标，规定时间和任务，加强督促与检查。绝对不能将有限的资金搞平均摊派，或照顾本部门所属单位，使攻关流于形式，延误了加快发展化合物半导体材料、器件的有利时机。

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