Ⅲ-Ⅴ族器件技術(shù)與產(chǎn)業(yè)趨勢報告

呂鑫

中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所 河北石家莊 050051

隨著半導(dǎo)體材料不斷發(fā)展，傳統(tǒng)硅半導(dǎo)體由于其自身局限性與摩爾定律的限制，需尋找新的半導(dǎo)體材料[1]。以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）和氮化鎵（GaN）等為主的三五族化合物材料具有更大的禁帶寬度和電子遷移率等特性，可以滿足現(xiàn)代電子技術(shù)對高溫、高頻和抗輻射等條件的新要求。在射頻、光電和功率器件應(yīng)用領(lǐng)域中，三五族化合物扮演著無可替代的角色，成為半導(dǎo)體材料發(fā)展的前沿科技。隨著5G、新能源汽車、太陽能、節(jié)能（如快充）技術(shù)的迅速發(fā)展，三五族化合物市場會迎來增長。

1 Ⅲ-Ⅴ族化合物組成

Ⅲ-Ⅴ族化合物就是由三族元素（B、Al、Ga、In、Tl）和五族元素（N、P、As、Sb、Bi）結(jié)合而成的化合物。化合物半導(dǎo)體分為二元化合物半導(dǎo)體：由兩種元素組成；三元化合物半導(dǎo)體：由三種元素組成；多元化合物半導(dǎo)體：由三種及以上元素組成。二元化合物：GaAs、GaP、InP、GaN、GaSb、InAs、InSb等；三元化合物與多元化合物半導(dǎo)體：由III族元素Al、Ga及V族元素As所組成的合金半導(dǎo)體AlxGa1－xAs即是一種三元化合物半導(dǎo)體，如In-GaAs、InGaP；具有AxB1－xCyD1－y形式的四元化合物半導(dǎo)體可由許多二元及三元化合物半導(dǎo)體組成。例如，四元化合物GaxIn1－xAsyP1－y合金半導(dǎo)體是由GaP、InP及GaAs所組成，有InAlGaAs或InGaAsP等等。二元Ⅲ-Ⅴ族化合物中，GaSb、InAs、InSb材料主要用于制作紅外光電器件和霍爾器件等，盡管很重要，但相對來說，市場總量較少，發(fā)展前景受到限制[2]。GaP材料屬于間接帶隙半導(dǎo)體，主要用于生產(chǎn)中、低亮度的綠光發(fā)光管（LED），這一領(lǐng)域市場比較成熟，競爭十分激烈，并呈現(xiàn)出逐步被GaAs其超高亮度LED取代的趨勢，發(fā)展的前景不容樂觀。

2 主流Ⅲ-Ⅴ族化合物器件技術(shù)及產(chǎn)業(yè)趨勢

2.1 GaAs器件技術(shù)與產(chǎn)業(yè)

GaAs材料具有很高的電子遷移率、寬禁帶、直接帶隙，消耗功率低的特性，基于GaAs晶圓的主要應(yīng)用在射頻、光電子（激光器等）、LED、PV四方面。光電子將是.GaAs的應(yīng)用焦點，GaAs激光器可作為智能手機(jī)3D傳感、人臉識別、自動/無人駕駛激光雷達(dá)的光源。整個GaAs市場將由射頻應(yīng)用為主導(dǎo)向光電子為主要應(yīng)用趨勢發(fā)展。2017年GaAs晶圓用量175萬片（以6吋計），市場規(guī)模為1.7億美元，預(yù)計到2023年GaAs晶圓市場規(guī)模達(dá)3.88億美元。2017年，GaAs射頻業(yè)務(wù)占據(jù)GaAs晶圓市場份額超過50%。隨著手機(jī)市場的飽和，GaAs射頻市場增長放緩，但GaAs仍是5GSub－6.GHz的主流技術(shù)。自2017年以來，GaAs晶圓在光電子（激光器等）應(yīng)用方面顯得尤為突出預(yù)計光電子應(yīng)用的GaAs晶圓出貨量在2017-2023年期間的復(fù)合年增長率為37%，到2023年將實現(xiàn)1.5億美元市場規(guī)模[3]。

2.2 InP器件技術(shù)與產(chǎn)業(yè)

基于InP晶圓主要應(yīng)用是射頻、光電子兩大領(lǐng)域。InP在軍事通信、雷達(dá)和輻射測量等性能驅(qū)動型利基市場以及自動測試設(shè)備上占有重要位置。2018年InP晶圓市場規(guī)模達(dá)7700萬美元，日本Sumitomo Electric、美國AXT占據(jù)超80%市場份額。預(yù)計InP晶圓出貨量在2017-2024年期間的復(fù)合年增長率為14%，到2024年將達(dá)到1.72億美元市場規(guī)模。數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域的InP晶圓市場有望爆發(fā)，2018年其市場規(guī)模達(dá)2200萬美元，預(yù)計2017-2024年期間的復(fù)合年增長率高達(dá)28%，到2024年將實現(xiàn)9560萬美元規(guī)模。

2.3 GaN器件技術(shù)與產(chǎn)業(yè)

基于GaN襯底（Bulk GaN、GaN－on－Si、GaN－on－SiC、GaN－on－sapphire）的半導(dǎo)體應(yīng)用主要有三大類：射頻、光電（Photonic、LED）和功率應(yīng)用。2016年，全球GaN半導(dǎo)體器件市場規(guī)模為165億美元，預(yù)計到2023年將達(dá)到224.7億美元，2017年至2023年期間的復(fù)合年增長率為4.6%。驅(qū)動該市場增長的主要因素包括GaN在消費電子和汽車領(lǐng)域具有廣闊的市場潛力；氮化鎵材料的寬帶隙特性促進(jìn)了創(chuàng)新應(yīng)用；GaN在RF功率電子領(lǐng)域的成功應(yīng)用；以及軍事、國防、航空航天應(yīng)用領(lǐng)域增加對GaN RF半導(dǎo)體器件的采用。通信和國防應(yīng)用是推動射頻GaN市場增長的主要驅(qū)動力。

3 結(jié)語

GaAs、InP、GaN.三種主流化合物半導(dǎo)體均可應(yīng)用于射頻、光電，GaN還應(yīng)用于功率半導(dǎo)體，在通信技術(shù)、汽車制造等領(lǐng)域?qū)儆谇把乜萍肌ｋS著5G、新能源汽車、太陽能、節(jié)能（如快充）技術(shù)的迅速發(fā)展，三五族化合物市場將迎來增長。國內(nèi)廠商應(yīng)抓住機(jī)會，同時在三五族化合物器件發(fā)展過程中應(yīng)注意協(xié)同創(chuàng)新、產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合。