什么样的半导体会习惯贵族？它有什么神秘之处？他的特点是什么？它的制备方法和产业链是什么？其终端应用产品的市场分布如何？接下来，本文将介绍砷化镓的材料属性优势、制备工艺、具体应用场景等，希望梳理砷化镓的一些问题。文章中的一些数据作者根据官方公布的数据进行了一定程度的基本处理，所有图片来源都注明了来源。此外，本文的公司排名与公司实力无关，没有作者的主观观点，只是介绍问题；同时，由于作者信息有限，如果介绍不当，作者现在道歉！望知悉。

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什么是砷化镓？

砷化镓(GaAs)作为第二代半导体，价格昂贵，被称为半导体贵族。砷化镓是继硅之后最成熟的化合物半导体材料，具有频率高、电子迁移率高、输出功率高、噪音低、线性好等优点。它是光电子和微电子行业最重要的支撑材料之一。以砷化镓为代表的第二代半导体广泛应用于高频、高速、大功率、低噪声、耐高温、耐辐照等集成电路领域，已发展成为现代电子信息产品和信息高速公路的关键技术G芯片市场很好，产品供不应求。砷化镓(GaAs)近年来，随着物联网的发展，它是光电和手机网通高频通信不可或缺的组成部分(loT)、车联网及Al(人工智能)应用激增，各国加快建设5G基础设施，加苹果iPhoneX引入面部识别功能，带动砷化镓VCSEL对高级通信元件的需求大幅增加。面对砷化镓行业的大商机，国内外砷化镓和光电厂都力抢进。以下是砷化镓材料与其它半导体材料的性能对比：

表1、砷化镓材料与其他半导体材料的属性比较

砷化镓广泛应用于遥控、手机、DVD许多光电子领域，如计算机外设、照明等。此外，由于其电子迁移率是硅的6倍，砷化镓已成为超高速、超高频设备和集成电路的必需品。它也广泛应用于军事领域，是激光导弹的重要材料。它曾在海湾战争中表现出巨大的力量，赢得了砷化镓击败钢铁的美誉。砷化镓单晶片的价格约为同尺寸硅单晶片的20至30倍。尽管价格昂贵，但砷化镓半导体的年销售额仍超过10亿美元。在十五计划中，中国将实现产品产业化，占领国际市场。

砷化镓的制造工艺

砷化镓，作为一种化合物半导体，其生产过程类似于大多数化合物半导体碳化硅、磷化镓，包括多晶合成、单晶生长后切割、磨边、研磨、抛光、清洗等工艺后真空包装成品，其中多晶合成、单晶生长是核心工艺。但它也有自己独特的特点，本文将详细介绍单晶片和衬底的特点：

1. 砷化镓单晶

砷化镓单晶砷化镓单晶导带为双能谷结构，最低能谷位于第一布里渊区中心，电子质量为0.068m0 (m0为电子质量，见载流子)，次低能谷位于<111>L点的方向比最低能谷高0左右.29eV，其电子有效质量为0.55m0.价带顶约位于布里渊区中心，价带中轻空穴和重空穴的有效质量分别为0.082m0和0.45m0。电子和空穴迁移率分别为8万cm/(V·s)和100～300cm/(V·s)，少数载流子的寿命为10-2~10-3μs。在其中掺入Ⅵ族元素Te、Se、S等或Ⅳ族元素Si，N型半导体可与之混合Ⅱ族元素Be、Zn可制成P型半导体，掺入Cr或提高纯度产生高达107~108的电阻率Ω·cm半绝缘材料。

制备GaAs单晶方法包括区熔法和液封直拉法。可通过扩散、离子注入、气相或液相外延和蒸发等方法制成PN结、异质结、肖特基结、欧姆接触等。近十年来，由于分子束外延和金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术发展，可在GaAs异质结和超晶格结构是在单晶衬底上制备的，这些结构已经制成了高电子迁移率晶体管等新型半导体器件(HEMT)、异质结双极晶体管(HBT)激光器等，为GaAs材料的应用开发了更广阔的前景。

2. 砷化镓外延材料

外延材料的制备采用气相沉积或液相沉积的方法，使砷化镓或其他材料的单晶膜生长在砷化镓或其他材料的表面，统称为砷化镓外延材料。如果衬底和外延层由同一材料组成，则称为同质结外延层，如果由不同材料组成，则称为异质结外延层。延伸材料可为单层结构或多层结构。砷化镓外延材料的制备方法与大众化合物半导体相似，主要包括气相外延法和液相外延法。气相外延法：通过气相运输和气相反应实现薄膜生长的过程。砷化镓外延层通常采用氯化物法和氢化物法生长，Ga-AsCl3-H2已成为氯化物法的代表工艺，其特点是易于实现高纯生长。1970年，麻省理工学院华尔夫(Walf)砷化镓气相外延层的电子浓度和电子迁移率为n77k＝7×1013cm-3和μ77k＝2.1×105cm/(V·s)；液相外延法：砷化镓饱和溶液在一定温度下通过冷却过饱和，然后在砷化镓衬底上生长砷化镓膜。根据1969年的报告，结果是：77K电子浓度和电子迁移率为n77k＝7.6×1012cm-3、μ77k＝1.75×105cm/(V·s)。

3. 综合而言

与单晶制备方法相比，砷化镓晶体的主流生长工艺包括LEC法、HB法、VB法以及VGF法等，其中Sumitomo砷化镓单晶生产VB法为主，Freiberger以VGF和LEC北京通美以法律为主，而北京通美则以法律为主VGF法为主。目前，中国涉及砷化镓衬底业务的公司很少。除北京通美外，广东先进材料有限公司等公司正在生产中LED砷化镓衬底有一定规模。

对于各种方法的比较，本文介绍如下：

①目前单晶直径 HB 法生长的最大单晶直径通常是 3 英寸，LEC 法生长的单晶直径最大 12 英寸，但使用 LEC 单晶晶体设备投入成本高，晶体不均匀，位错密度高。目前 VGF 法和 VB 单晶直径最大可达8英寸，晶体均匀，位错密度低；②与其他方法相比，单晶质量VGF晶体位错密度低，生产效率稳定；③在生产成本方面，HB法律成本最低，LEC法律成本最高，VB法和VGF法生产的产品性能相似，但VGF该方法取消了机械传动结构，以更低的成本稳定生产单晶。下图显示了国内公司与国家砷化镓行业标准的比较：

图1、半绝缘砷化镓与国际先进水平的比较

全球竞争格局

砷化镓晶体生长、衬底和外延片在砷化镓产业链上游生产加工。衬底是外延层半导体材料生长的基础，在芯片中起着承载和固定的关键作用。砷化镓衬底的原料包括金属镓、砷等，由于自然界中没有天然砷化镓单晶，需要人工合成；砷化镓衬底生产设备主要包括晶体生长炉、研磨机、抛光机、切割机、检测试设备等。砷化镓产业链下游应用主要涉及5G通信，新一代显示（Mini LED、Micro LED）、无人驾驶、人工智能、可穿戴设备等领域。

由于行业整体规模小，非标准化程度高，化合物半导体主要是OEM模式。欧美主导砷化镓产业链，中国台湾省厂商垄断OEM。日本住友，德国住友Freiberger和美国的AXT总市场份额约占全球半绝缘衬底的90%。受衬底尺寸限制，目前的生产线主要是4英寸和6英寸晶圆，一些企业也开始引进8英寸生产线，但尚未形成主流。因为砷化镓是以Emitterbase-Collector以垂直结构为主，晶体管数量仅为100个数量级；硅晶圆是Source Gate Drain在平面设计中，晶体管的数量达到了数千万的数量级，因此砷化镓在工艺研发上没有硅晶圆代工业那么明显。

4、6 英寸半绝缘砷化镓抛光片的生产技术主要掌握日本居民电工（Sumitomo Electric Industries）、费里伯格，德国（Freiberger Compound Material）、美国 AXT 三家公司手中。这些公司的产品占砷化镓市场的绝大多数。砷化镓单晶生长技术也晶率高，成本低VB/VGF转移单晶生长技术。到2015年，6寸衬底已占市场份额的90%以上。6英寸半绝缘砷化镓产品的电阻率为107Ω·cm覆盖到108Ω·cm，晶体轴向和径向电阻率均匀性高。抛光片的加工几何参数，如TTV、Warp、LTV也很小。抛光片的表面质量状态也很好，如颗粒少、表面钝化等，产品保存时间长。具体世界市场分布如下图所示：

图2显示了砷化镓材料的世界市场分布

注:图片来源于北京通美招股说明书

砷化镓产业链

砷化镓产业链

注:图片来源于北京通美招股说明书

全球砷化镓衬底市场集中度较高。Yole据统计，2019年全球砷化镓衬底市场的主要制造商包括Freiberger、Sumitomo和北京通美，其中Freiberger占比 28%、Sumitomo北京通美占21%和13%。砷化镓晶体的主流生长过程包括LEC法、HB法、VB法以及VGF法等，其中Sumitomo砷化镓单晶生产VB法为主，Freiberger以VGF和LEC北京通美以法律为主，而北京通美则以法律为主VGF法为主。目前，中国涉及砷化镓衬底业务的公司很少。除北京通美外，广东先进材料有限公司等公司正在生产中LED砷化镓衬底有一定规模。由于下游应用市场需求持续强劲，砷化镓衬底AdvancedLinearDevices代理市场规模将继续扩大。根据Yole据估计，2019年全球相当于2英寸砷化镓衬底市场销量约为2000万件，预计到2025年全球相当于2英寸砷化镓衬底市场销量将超过3500万件；2019年全球砷化镓衬底市场规模约为 2 预计1亿美元 2025 年度全球砷化镓衬底市场规模将达到 3.48 亿美元，2019-2025年复合增长率9.67%。

砷化镓的用途

砷化镓是目前主流的化合物半导体材料之一，其应用可分为三个阶段。砷化镓衬底从20世纪60年代开始应用于第一阶段LED以及太阳能电池，主要用于航天领域。自20世纪90年代以来，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设备。自2010年以来，第三阶段一直存在LED随着智能手机的普及，砷化镓衬底已进入2017年等大规模应用阶段，iPhone X首次引入了VCSEL用于面部识别和生产 VCSEL 砷化镓衬底需要使用，砷化镓衬底的应用场景再次拓宽。2021年，随着Apple、Samsung、LG、TCL等厂商加入Mini LED砷化镓衬底的市场需求将迎来爆炸性增长。目前，砷化镓衬底主要用于下游设备，包括射频设备LED、激光器。

(一)砷化镓射频器件应用介绍

射频设备是实现信号发送和接收的关键设备。射频设备主要包括功率放大器、射频开关、滤波器、数模/模数转换器等设备。其中，功率放大器是放大射频信号的设备，直接决定了移动终端和基站的无线通信距离和信号质量。砷化镓一直是制造射频功率放大器的主流衬底材料之一。4G时代起，4G随着基站建设和智能手机的不断普及，对制造智能手机射频器件的砷化镓衬底需求开始增加。进入5G时代之后，5G通信对功率、频率和传输速度提出了更高的要求。砷化镓衬底制成的射频设备非常适合长距离、长通信时间的高频电路。因此，在5中G砷化镓在射频器件中的材料优势更为显著。随着5G大量的基站建设将为砷化镓衬底的需求带来新的增长驱动力；同时，单部5G手机使用的射频器件数量将比4G随着手机数量的急剧增加，对砷化镓需求的增长。伴随5G通信技术的快速发展和不断推广，5G基站建设及5G手机的推广将稳步增长砷化镓基射频器件。

手机中射频（RF）设备的成本越来越高。一个4G全网通手机，前端RF套件的成本已达8-10美元，包括超过10个射频芯片，包括2-3个PA、2-4开关，6-10滤波器。未来随着5G的到来，RF套件的成本很可能超过手机主芯片。此外，物联网的爆发必然会将射频设备的需求推向高潮。一般情况下，的射频芯片通常占整个线路面板的30%-40%。据悉，一部iPhone 射频芯片的成本高达24美元，据报道，苹果今年对射频芯片的投资将超过30美元。随着智能手机迭代的加快，射频芯片也将迎来一波高峰。

根据Yole预计2025年全球射频器件砷化镓衬底市场销量将超过965.70万件，2019-2025年复合增长率为6.32%。2025年全球射频器件砷化镓衬底市场规模将超过9800万美元，2019-2025年复合增长率为 5.03%。据YOLE数据分析销售和市场规模预测如下：

图4、砷化镓衬底销量及射频器件市场规模预测

注:图片来源于北京通美招股说明书

(二)砷化镓材料LED应用介绍

LED它是由化合物半导体(砷化镓、氮化镓等)组成的固体发光器件，能将电能转化为光能。由不同的材料制成 LED 会发出不同波长、不同颜色的光，LED 根据发光颜色可分为单色 LED、全彩 LED 和白光 LED 等类型。LED 可根据芯片尺寸分为常规 LED、Mini LED、Micro LED 等类型，包括常规 LED 主要用于通用照明、户外显示屏等，Mini LED、Micro LED 应用于新一代显示。Mini LED2022年3月9日，背光市场成交量加快：TCL发布三款Mini LED新一代电视产品发布QD-Mini LED技术，除了TCL包括三星、索尼、LG创维、小米、华为、海信等国际品牌不断研发推出Mini LED背光电视。据LEDinside，2022年整体Mini LED与2021年相比，背光电视万台，比2021年翻倍。根据笔电Omdia根据最新调查，2021年配备了最新调查Mini LED背光笔电面板出货量达到450万片，笔电渗透率飙升至1.6%，2022年Mini LED预计笔电面板出货量为990万片，渗透率为3%。随着Mini LED技术不断成熟，良品率逐步提高，Mini LED每年背光成本下降15-20%，Mini LED已成为当代主流显示技术，渗透率有望加快。

Mini/Micro LED大规模应用主要有两个方向，一个是RGB直接显示，使用Mini/Micro LED显示方案可以实现更小的尺寸和更高的分辨率；另一种是使用Mini/Micro LED作为背光方案，应用于背光方案TV、车载、笔记本电脑、显示器等。其中，Mini LED背光技术可以有效地改善液晶显示器在对比度和能耗方面的不足；同时，依托世界上最成熟、最具规模优势的液晶显示产业链，预计将率先在消费市场上大规模应用。“Mini LED技术要求更高，主要是超大屏幕需求，价格高，消费群体有限。MiniLED背光模块可应用于电视、笔记本电脑、平板电脑、显示器等，提高这些应用的显示效果，提高产品溢价空间，更好地满足消费者的需求。

随着LED照明普及率不断提高，常规LED芯片和设备的价格不断下降。常规LED芯片尺寸为mm，砷化镓衬底技术要求相对较低，属于砷化镓衬底低端需求市场，产品附加值低，主要由国内砷化镓衬底企业占据，市场竞争激烈；新一代显示Mini LED 和 Micro LED芯片尺寸为亚毫米和微米，对砷化镓衬底的技术要求很高，市场主要由世界第一梯队制造商占据。据YOLE数据分析，LED设备销售和市场规模预测如下：

图五、LED砷化镓衬底销量及市场规模预测

注:图片来源于北京通美招股说明书

根据 Yole 预测，Mini LED 及 Micro LED 2025年，全球对砷化镓衬底的需求迅速增长 Mini LED 及 Micro LED 砷化镓衬底(相当于2英寸)的市场销售将从 2019年的 207.90 万片增长至 613.80 万片，年复合增长率为 19.77%；2019 年全球 Mini LED及 Micro LED 砷化镓衬底的市场规模约为 1,700 万美元，预计到 2025 年度全球砷化镓衬底市场规模将达到 7,000 一万美元，年复合增长率为26.60%。

图六、1990—2030年LED增长预测图

注:图片来源于北京通美招股说明书

(3)砷化镓激光器应用介绍

激光器是一种由大量光学材料和部件组成的综合系统，采用受激辐射产生可见光或不可见光。利用砷化镓电子迁移率高、光电性能好的特点，可用于人工智能、无人驾驶等应用领域。根据 Yole 激光器是砷化镓衬底未来五年最大的应用增长点之一。预计到2025年，全球激光砷化镓衬底(相当于2英寸)的市场销量将从2019年的106.2万增长到330.3万，年复合增长率为20.82%；预计到2025年，全球激光砷化镓衬底的市场容量将达到 6,100 年复合增长率为万美元 16.82%。据YOLE激光器件的销售和市场规模预测如下：

图七、2019-2025 全球激光器件砷化镓衬底预计销量和市场规模

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在具体应用方面，未来五年激光砷化镓衬底的需求增长主要是由于 VCSEL 需求拉动。VCSEL它是一种垂直于衬底表面的半导体激光器。在应用场景中，多个激光器经常同时排列在衬底的多个方向，形成面部识别和全身识别的并行光源。目前，它已广泛应用于智能手机中。

VCSEL作为3D随着传感技术的基本传感器， 5G 由于物联网传感技术的广泛应用，通信技术和人工智能技术的发展，VCSEL 市场规模不断增长，尤其是 VCSEL为发射源的 3D 三维相机将迎来一个快速发展的时期D 相机是一种可以记录立体信息并显示在图像中的相机，可记录物体的纵向尺寸、纵向位置和纵向移动轨迹。此外，VCSEL作为 3D 在生物识别、智能驾驶、机器人、智能家居、智能电视、智能安全等方面，传感器3D建模、人脸识别和VR/AR新兴领域应用前景广阔。

根据Yole预测，随着3D传感技术在各个领域的深度应用，VCSEL随着砷化镓衬底的需求增加，市场将继续快速发展。2019年，全球VCSEL砷化镓衬底(相当于2英寸)的销量约为93.89万件，预计将达到 2025年将增长到29.32万片，年复合增长率达到21.32%；2019年全球 VCSEL 砷化镓衬底市场规模约为2100万美元，预计将达到 2025 全球砷化镓衬底市场规模将超过5600万美元，复合年增长率为17.76%。据YOLE数据分析，VCSEL砷化镓器件销售及市场规模预测如下：

图八、VCSEL砷化镓器件销售市场规模预测

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目前，半导体激光行业的企业很少。一般来说，涉足半导体激光行业的公司始终专注于半导体激光芯片的研发、设计和制造。其部分产品包括高功率单管系列产品、高功率巴条系列产品和高效率VCSEL高功率半导体激光芯片的列产品，逐步实现高功率半导体激光芯片的定位。目前，许多公司跟上下游市场的发展趋势，不断开发领先的产品、创新优化制造技术、布局建设生产线，形成了半导体激光芯片、设备、模块和直接半导体激光四类、多系列产品矩阵，为半导体激光行业垂直产业链公司。其中VCSEL该系列产品可广泛应用于光纤激光器、固体激光器和超快激光器D传感与摄像、人脸识别与生物传感等领域。