GaAs在高頻功率器件中的應用研究與技術發展

劉潔

摘要：在高科技產業領域，核心基礎材料往往扮演者極為關鍵的角色，也是需要持續高投入、承受高風險、費時費力的一大領域，砷化鎵（GaAs）是一種很容易被提起的半導體材料，它與整個半導體產業密切相關，這也是我國產業結構中最為薄弱的環節。

砷化鎵（GaAs）是目前最重要、最成熟的化合物半導體材料之一，廣泛應用于光電子和微電子領域。目前全球砷化鎵單晶的總年產量已超過 200噸，我國也是繼日本、德國之后第三個掌握砷化鎵晶體生長技術的國家。

關鍵詞：砷化鎵（GaAs）;功率器件;5G

1 概述

GaAs是Ⅲ-Ⅴ族元素的化合物，黑灰色固體，熔點1238℃。它在600℃以下，能在空氣中穩定存在，并且不為非氧化性的酸侵蝕，其電子遷移率高、介電常數小，能引入深能級雜質、電子有效質量小。

在高頻功率器件中，GaAs（包括HBT，MESFET，HEMT等）技術是最成熟的。由于傳送訊號的射頻元件具有工作頻率高、低功耗、低雜散等特點，而砷化鎵本身具有光電與高速的特性，因此多用于光電和高頻通訊用元件。

在微波大功率應用上，一直就是GaAs的天下，它主要應用于高頻通訊、無線網絡及光電子領域，隨著5G的逐步到來，整個社會將進入萬物互聯的新階段，半導體相關芯片、器材需求量將進一步爆發。

2 GaAs發展現狀

2.1 GaAs應用

砷化鎵（GaAs）是目前最重要、最成熟的化合物半導體材料之一，廣泛應用于光電子和微電子領域。與傳統的硅半導體材料相比，它具電子遷移率高、禁帶寬度大、直接帶隙、消耗功率低等特性，電子遷移率約為硅材料的5.7倍。

砷化鎵是典型的直接躍遷型能帶結構，導帶極小值與價帶極大值均處于布里淵區中心，即K=0處，這使其具有較高的電光轉換效率，是制備光電器件的優良材料。在300 K時，砷化鎵材料禁帶寬度為1.42 eV，遠大于鍺的0.67 eV和硅的1.12 eV，因此，砷化鎵器件可以工作在較高的溫度下和承受較大的功率，并廣泛應用于高頻及無線通訊中制做IC器件。

2.2 制造工藝

從20世紀50年代開始，已經開發出了多種砷化鎵單晶生長方法。目前主流的工業化生長工藝包括：液封直拉法（LEC）、水平布里其曼法（HB）、垂直布里其曼法（VB）以及垂直梯度凝固法（VGF）等。

2.2.1 液封直拉法（Liquid Encapsulated Czochralski，簡稱LEC）

LEC法是生長非摻半絕緣砷化鎵單晶（SI GaAs）的主要工藝，目前市場上80%以上的半絕緣砷化鎵單晶是采用LEC法生長的。LEC法采用石墨加熱器和PBN坩堝，以B2O3作為液封劑，在2MPa的氬氣環境下進行砷化鎵晶體生長。

2.2.2 水平布里其曼法（Horizontal Bridgman，簡稱HB）

HB法是曾經是大量生產半導體（低阻）砷化鎵單晶（SC GaAs）的主要工藝，使用石英舟和石英管在常壓下生長，可靠性和穩定性高。優點是可利用砷蒸汽精確控制晶體的化學劑量比，溫度梯度小從而達到降低位錯的目的。主要缺點是難以生長非摻雜的半絕緣砷化鎵單晶，所生長的晶體界面為D形，在加工成晶片過程中將造成較大的材料浪費，且難以生長大直徑的晶體。

2.2.3 垂直布里其曼法（Vertical Bridgman，簡稱VB）

VB法是上世紀80年代末開始發展起來的一種晶體生長工藝，將合成好的砷化鎵多晶、B2O3以及籽晶裝入PBN坩堝并密封在抽真空的石英瓶中，爐體垂直放置，采用電阻絲加熱，石英瓶垂直放入爐體中間。高溫下將砷化鎵多晶熔化后與籽晶進行熔接，然后通過機械傳動機構由支撐桿帶動石英瓶與坩堝向下移動，在一定的溫度梯度下，單晶從籽晶端開始緩慢向上生長。

2.2.4 垂直梯度凝固法（Vertical Gradient Freeze，簡稱VGF）

VGF工藝與VB工藝的原理和應用領域基本類似。其最大區別在于VGF法取消了晶體下降走車機構和旋轉機構，由計算機精確控制熱場進行緩慢降溫，生長界面由熔體下端逐漸向上移動，完成晶體生長。

3 GaAs的產業發展

3.1 產業鏈及供需

GaAs 材料是繼硅單晶之后的第二代新型化合物半導體材料，在微電子和光電子領域有著廣泛的用途。GaAs材料在世界發達國家均被視為戰備儲備物資，如美國將砷化鎵材料的生產應用技術列入國防白皮書，從而對美國國防技術起到了重要作用。在現代軍備技術中，幾項關鍵技術均與砷化鎵材料有直接關系。例如，機載相控雷達、戰術紅外線夜視鏡，抗輻射電子元件，紅外線激光導航、紅外線激光瞄準儀等。近年來，發光二極管（LED）以及太陽能產業的蓬勃發展更是給砷化鎵半導體材料帶來了廣闊的應用空間，市場前景極其繁榮。

GaAs半導體產業鏈包括GaAs單晶制備、晶片加工、外延芯片、IC集成電路設計以及器件應用等，其中單晶制備處于整條產業鏈的上游。

3.2全球產能

半絕緣砷化鎵材料主要用于高頻通信器件，受到近年民用無線通信市場尤其是手機市場的拉動，半絕緣砷化鎵材料的市場規模也出現了快速增長的局面。2003～2008年，半絕緣砷化鎵市場需求增長了54%。目前微電子用砷化鎵晶片市場主要掌握在日本住友電工（Sumitomo Electric）、費里伯格（Freiberger Compound Materials）、日立電線（Hitachi Cable）和美國AXT等四家大公司手中。主要以生產4、6英寸砷化鎵材料為主。

4 GaAs的發展趨勢

不同于傳統的硅半導體（Silicon Semiconductor），GaAs屬于化合物半導體（Compound Semiconductor），又稱III-V族半導體，進入4G時代，手機的射頻前段變得更加復雜，手機射頻系統主要元件包括收發器Transceiver、功率放大器Power Amplifier、濾波器Filters和Antenna Switches。2011年此市場規模大約為38億美元，到2016年達到50億美元。

根據IMF測算，每1美元半導體芯片的產值可帶動相關電子信息產業10美元產值，并帶來100美元GDP，這種價值鏈的放大效應奠定了半導體行業在國民經濟中的重要地位。從2013年到2018年，全球半導體市場規模從3056億美元迅速提升至4688億美元，年均復合增長率達到8.93%。根據IC Insights統計，從2013年到2018年僅中國半導體集成電路市場規模就從820億美元擴大至1550億美元，年均復合增長率約為13.58%。

未來隨著5G市場的發展，中國的半導體產業也將進入加速發展的階段，伴隨著越來越多領域的需求，在射頻前端等高頻領域占有重要作用的GaAs器件也將得到更多更廣泛的應用。

（作者單位：中國電子科技集團公司第29研究所）