砷化镓材料发展和场前景

1、神化钱是田-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、错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，GaAstf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、错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， GaAsM料器件的 销售市场仍然看好 。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，GaAsM料所具有

2、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 GaAsM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。GaAs材料应用民用化GaAsM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GaAsI

3、C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）高迁移率品 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，

4、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 GaAsM料的发展。表1 列出了 GaAs材料器件的分类和用途 4。表1种化线材料器件的种类和用途电子器件材料（工作层/衬底）应用 领域用途器件技术 动向材料要数字ICGaAs/Ga

5、As情报超高速计算机高集成、(MESFETHEMT) GaAlAs/GaAs处理个人电脑ATM 画像处理低工作电 压移动通讯、卫星成本微波器件 (MESFETHEM 模拟ICMMICHBT)GaAs/GaAsT GaAlAs/GaAsGaAlAs/InGaAs/GaAsInGaP/GaAs/GaAs通讯 （微 波）广播、低噪声接收、放 大、发射、汽车防碰 撞系统、局功率、低 噪声、高集成、低工作电压低、大直径、V低且 重复性PAR好民用叱VTR低成霍耳器件GaAs/GaAsFDDft感器、高灵敏度本、)21_L位置检测传感器大直径光电器件材料（工作层/衬底）应用领域用途器件动向材料要 求GaA

6、sP/GaAs红)家电、DA电度、可见光LEDGaAlAs/GaAs（高亮度 红）民用产业子设备显示、 广告牌、汽车InGaAlP/GaAs八 J 、枚仅低成（高亮度橙*黄）传真用光源及 信号灯长化1家电、DA电子产业机局功红外LEDGaAs/GaAsGaAlAs/GaAs民用产业械、遥控及光耦合率、高速器、化光断路器光通信交换机、光LAN用发光局功 率、 集成 化光通信产器件、GaAs/GaAs业各种检测设备半导体激光器GaAlAs/GaAs(780nm)发光器件低位短波长LDInGaAlP/GaAs(680-错、630nm)CD MD激光局功率、大直民用打印机CD-Rom径、低成本DVD-

7、Rom枚仅 长化DVD-RAM太阳电池GaAs/GaAs能源卫星广播、通 讯、无人气象观测 站局效 率ATM正同步马达；FDD软盘驱动装置；PAR全方位雷达；LAN近距 离情报通信网GaAs材料器件产销情况日本GaAsM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 /%项目单晶外延片芯片器件发光器件80857060电子器件8050 606060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，

8、但可以从生产GaAM晶所使用的原料钱的消耗量来推算。1994年至1999 年日本生产GaAs材料及外延的钱用量列于表3。表3日本生产GaAs单晶及外延用钱量/t项目199419951996199719981999（预测）单晶GaAs263427343539外延GaAs(LED) GaAs(LD)合计5672577583从表中可见，从1996年至1999年，日本GaAsH晶及外延使用的钱 量每年都在增加，其平均增长率约为 13.6%。1998年，日本生产GaAs 单晶所使用的钱量为35t,用作GaAs外延的钱量为40t。若按拉晶85% 成品合格率计算，1998年日本生产GaAsH晶约60t。19

9、97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乙日 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等名勺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% ，1995年至1998年日本化合物材料器件销售情况如表 4所示= 8、表4日本化合物半导体器件销售情况/百万日元器件二1995 年1996 年1997 年1

10、998 年可见光LED 22323198862568222027红外LED4195383042144282LD（激）3308362948785505电子器件66018645965510546其他3814215023082864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，GaAsM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。世界GaAsM料器件产销情况GaAs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所示咫。表5部分国家和地区化合物半导

11、体材料的出口统计 /kg国家及地区1995 年1996 年1997 年1998 年韩国28845620562465台湾4321762873928811新加坡15244042203529英国2311426594156593美国509068001670714163合计12951218444532442428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钱用量情况。因为钱是生产GaAs材

12、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年世界对钱的需求量和地 区的分布。从表中可见，世界对钱的需求量 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。增加的钱都用于GaAs材料的生产（如表 3所示），可以看出1999年日本GaAsH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。钱的用途分

13、布以1997年为例，世界对钱总需求量为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 究开发用钱量为2t 口00。也就是说，1997年全世界用于生产GaAs单晶的 钱量为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，世界对钱需求量会有较大增长。10年内， 全世界钱原料需求量可扩大到 300400t。若按1997年生产GaAs单 品所需钱用量比例计算，到2008年，全世界GaAs单晶的年需要量将达 510680t。

14、从表6可以看出，日本、美国及欧洲钱的用量较大，他们开发、生 产GaAs材料器件也较发达。表7口1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世界对钱的需求量/t国家及地区1994 年1995 年1996 年1997 年1998 年1999年（预测）日本9311592113101109美国222540363840欧洲46791011其他456677合计1231511451641561 67表7世界生产GaAs衬底、外延及芯片的主要公司主要公司衬底外延LED芯片 DBGLE(ZVGF(VB)VPELPEMBEMOCV昭和电工 信越半导体o oo oo 日本

15、住友金属矿山 住友电气工业 日本能源 同和矿业 日立电线古河电气工业 二菱化学o oo o o o o Oooo oo o o OoHPooOoHCSIOLaserDiodes美国AXT LittonM/ACOMSpire NSCQED欧洲Siemens TEMIC Picogiga MCPFreiburger从CSI进口；与美国Spire合作；日本OEM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

16、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GaAM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 150mmGaAs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 GaA您150mm用线，开始产量化古河电工：加强发光器件 LEDLD及高频器件HEMT MMICJ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

17、支柱发展。富士通投资300亿日元，建成世界 最大的GaAsIC工厂”4，其100mmGaAte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 100150mm勺 GaAsM料 口5 同。 据报道4，AXT已经用垂直温度梯度凝固法（VGF）提供150mmGaAs 晶。3市场前景电子器件及外延片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

18、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%勺速度增长7】。 我国目前手机用户有1500万户，在今后5年内，每年将以100%Z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、千亿美元计口8，毫米 波通讯使用波长为毫米级，频率在 3075GHz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。GaAsS件具备高频、高速、低噪声、 低工作电压等

19、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 ”为2000年GaAs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市场预测应用 领域1995 年2000 年金额 百万美元比率 %金额 百万美元比率 %电信、电话29455128071军事、宇航118221609计算机75 口1421012其他4891508GaAsM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

20、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： o表9 世界GaAsIC及FET场预测/百万美元应用领域1996 年2000 年年均增长率/%FET5225622模K IC655133319数字IC11532530合计1291222215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。GaAsM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：100mmGaAsf底的价格约为2.5万日元/片， 而外

21、延片，价格约为10万日元/片，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101现 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外延片市场预测项目1995 年2000 年金额/白力美兀比率/%金额/白力美兀比率/%GaAs外延片市场100100晶片直径 76mm 100mr 125mr18.86.9-73.226.8-外延方法MBEMOCVE）北美地区日本欧洲从表10中可见，2000年世界GaAs衬底材料仍以 76mm 100mm% 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

22、国。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 DVDffi个人电脑等的需求量将大幅度增加：12： o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：21：0表11日本部分发光器件及相关设备产销预测/百万日元项目1998 年1999 年增长率/%

23、半导体激光器139057176842发光二极管111761128890复合光器件5745466350光敏器件3262345163光碟装置9389701070199CD593053610854DVD1 机80078108073DVD-Rom55176103103CD-Rom5622457851DVD79971580数字复印机230274272724医疗激光装置40714558激光应用生产装置211232227285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 635680n

24、m的红色激光器，能降低 DVDfe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勺蓝色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GaAT良 好的品格匹配，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1.3 pm及1.55 pm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，具适宜于光计算机电源。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19

25、99年达到4300百万美元，以年均增长率26%勺速度 发展。到2004年将达到9839百万美元。再看看世界市场，据世界半导体市场统计（WSTS预测-，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/百万美元项目1996 年1997 年1998 年1999 年增长率/%激光二极管7929021047124216红外LED5946236566905光耦合器115813071476169513LED741844954109214显示器48152157564410世界光电器件1999年总销售额

26、将达到63.14亿美元（含CCD4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 区将发展较快，其增长率将达到17%：2,如表13所示。表13发光器件地区分布占有率及增长率预测地区及国家1996 年1999 年增长率/%亚太192317日本39379美国23229欧洲181810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5亿只降1。4 GaAs材料发展趋势综上所述，现在及未来，Ga

27、As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Vh（阀值电压）必须低且均匀，晶片之间及批与批之间的 Vh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，具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技术及工艺要表14 GaAsIC技术

28、与要求项目1Kb4Kb16Kb64Kb集成规模（X 103）1020307080心片固积（mm）3X35X57X710X10栅宽（pm）e要求 0- Vth/mV30201510 单晶直径（mm）5076100125150工艺离子注入/MESFET外延/异质结加工晶片平向度（m m）加工晶片清洁度（允许颗粒度）（pm）关于发光器件如LED LD,均要求GaAsM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

29、为例，16KbGaAsIC芯片面积为7m佛7mm76mmhi片可作 30个芯片，而 100mma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GaAsM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 GaAsH晶直径增大，晶片厚度 也相应增加。如 76mmGaA1片需要片厚度625 m 相当于 150mm 硅片厚度，而 150mmGaA1片厚度即达到1mm比同样直径硅材料厚 度增加近400仙m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

30、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FEK MMIC HEM侍）衬底以 100mm 为主，LED LD发光器件主要使用 50mnffi63mm勺GaA的底 。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之双列出 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生长方 生长条件法 温种晶体生生晶体质量其他单单位 A/B E1杂片热机技设加度越 八、形状长长品晶错蚀坑质均应械术备工梯气观速直长密/cm匀力强成投损度压察度径度度2性度熟入耗控/mm/cm度制-2HB低良“

31、D，能慢76长103102-Si差低高成 熟低高低圆形不极2低极开低极VB/VGF良匕匕 育慢150短10310B良低高发低LEC极 高差圆台匕 目匕可150短105105高B、C可高低成 熟高低VCZ低良圆台匕 目匕可150短103102低B、C良极 低高开 发高低前面已经分析了 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LER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 GaAsM料具大直径、低热应力和低位错密度。表中HB的里奇曼）法是利

32、用神气雾，精确控制固化时单晶的神离解，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。止匕外，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76mmi勺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 B2Q及籽品真空封 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 籽品后，缓慢冷却，按100方向进行单晶生长。此法能生长用于 LED 和LD的掺杂单品，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。