Ⅲ-Ⅴ族器件技術與產業趨勢報告

呂鑫

中國電子科技集團公司第十三研究所 河北石家莊 050051

隨著半導體材料不斷發展，傳統硅半導體由于其自身局限性與摩爾定律的限制，需尋找新的半導體材料[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，可以滿足現代電子技術對高溫、高頻和抗輻射等條件的新要求。在射頻、光電和功率器件應用領域中，三五族化合物扮演著無可替代的角色，成為半導體材料發展的前沿科技。隨著5G、新能源汽車、太陽能、節能（如快充）技術的迅速發展，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）結合而成的化合物。化合物半導體分為二元化合物半導體：由兩種元素組成；三元化合物半導體：由三種元素組成；多元化合物半導體：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體：由III族元素Al、Ga及V族元素As所組成的合金半導體AlxGa1－xAs即是一種三元化合物半導體，如In-GaAs、InGaP；具有AxB1－xCyD1－y形式的四元化合物半導體可由許多二元及三元化合物半導體組成。例如，四元化合物GaxIn1－xAsyP1－y合金半導體是由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，發展前景受到限制[2]。GaP材料屬于間接帶隙半導體，主要用于生產中、低亮度的綠光發光管（LED），這一領域市場比較成熟，競爭十分激烈，并呈現出逐步被GaAs其超高亮度LED取代的趨勢，發展的前景不容樂觀。

2 主流Ⅲ-Ⅴ族化合物器件技術及產業趨勢

2.1 GaAs器件技術與產業

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晶圓的主要應用在射頻、光電子（激光器等）、LED、PV四方面。光電子將是.GaAs的應用焦點，GaAs激光器可作為智能手機3D傳感、人臉識別、自動/無人駕駛激光雷達的光源。整個GaAs市場將由射頻應用為主導向光電子為主要應用趨勢發展。2017年GaAs晶圓用量175萬片（以6吋計），市場規模為1.7億美元，預計到2023年GaAs晶圓市場規模達3.88億美元。2017年，GaAs射頻業務占據GaAs晶圓市場份額超過50%。隨著手機市場的飽和，GaAs射頻市場增長放緩，但GaAs仍是5GSub－6.GHz的主流技術。自2017年以來，GaAs晶圓在光電子（激光器等）應用方面顯得尤為突出預計光電子應用的GaAs晶圓出貨量在2017-2023年期間的復合年增長率為37%，到2023年將實現1.5億美元市場規模[3]。

2.2 InP器件技術與產業

基于InP晶圓主要應用是射頻、光電子兩大領域。InP在軍事通信、雷達和輻射測量等性能驅動型利基市場以及自動測試設備上占有重要位置。2018年InP晶圓市場規模達7700萬美元，日本Sumitomo Electric、美國AXT占據超80%市場份額。預計InP晶圓出貨量在2017-2024年期間的復合年增長率為14%，到2024年將達到1.72億美元市場規模。數據通信領域的InP晶圓市場有望爆發，2018年其市場規模達2200萬美元，預計2017-2024年期間的復合年增長率高達28%，到2024年將實現9560萬美元規模。

2.3 GaN器件技術與產業

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

3 結語

GaAs、InP、GaN.三種主流化合物半導體均可應用于射頻、光電，GaN還應用于功率半導體，在通信技術、汽車制造等領域屬于前沿科技。隨著5G、新能源汽車、太陽能、節能（如快充）技術的迅速發展，三五族化合物市場將迎來增長。國內廠商應抓住機會，同時在三五族化合物器件發展過程中應注意協同創新、產學研相結合。