GaAs在高频功率器件中的应用研究与技术发展

刘洁

摘要：在高科技产业领域，核心基础材料往往扮演者极为关键的角色，也是需要持续高投入、承受高风险、费时费力的一大领域，砷化镓（GaAs）是一种很容易被提起的半导体材料，它与整个半导体产业密切相关，这也是我国产业结构中最为薄弱的环节。

砷化镓（GaAs）是目前最重要、最成熟的化合物半导体材料之一，广泛应用于光电子和微电子领域。目前全球砷化镓单晶的总年产量已超过 200吨，我国也是继日本、德国之后第三个掌握砷化镓晶体生长技术的国家。

关键词：砷化镓（GaAs）;功率器件;5G

1 概述

GaAs是Ⅲ-Ⅴ族元素的化合物，黑灰色固体，熔点1238℃。它在600℃以下，能在空气中稳定存在，并且不为非氧化性的酸侵蚀，其电子迁移率高、介电常数小，能引入深能级杂质、电子有效质量小。

在高频功率器件中，GaAs（包括HBT，MESFET，HEMT等）技术是最成熟的。由于传送讯号的射频元件具有工作频率高、低功耗、低杂散等特点，而砷化镓本身具有光电与高速的特性，因此多用于光电和高频通讯用元件。

在微波大功率应用上，一直就是GaAs的天下，它主要应用于高频通讯、无线网络及光电子领域，随着5G的逐步到来，整个社会将进入万物互联的新阶段，半导体相关芯片、器材需求量将进一步爆发。

2 GaAs发展现状

2.1 GaAs应用

砷化镓（GaAs）是目前最重要、最成熟的化合物半导体材料之一，广泛应用于光电子和微电子领域。与传统的硅半导体材料相比，它具电子迁移率高、禁带宽度大、直接带隙、消耗功率低等特性，电子迁移率约为硅材料的5.7倍。

砷化镓是典型的直接跃迁型能带结构，导带极小值与价带极大值均处于布里渊区中心，即K=0处，这使其具有较高的电光转换效率，是制备光电器件的优良材料。在300 K时，砷化镓材料禁带宽度为1.42 eV，远大于锗的0.67 eV和硅的1.12 eV，因此，砷化镓器件可以工作在较高的温度下和承受较大的功率，并广泛应用于高频及无线通讯中制做IC器件。

2.2 制造工艺

从20世纪50年代开始，已经开发出了多种砷化镓单晶生长方法。目前主流的工业化生长工艺包括：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，简称LEC）

LEC法是生长非掺半绝缘砷化镓单晶（SI GaAs）的主要工艺，目前市场上80%以上的半绝缘砷化镓单晶是采用LEC法生长的。LEC法采用石墨加热器和PBN坩埚，以B2O3作为液封剂，在2MPa的氩气环境下进行砷化镓晶体生长。

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

HB法是曾经是大量生产半导体（低阻）砷化镓单晶（SC GaAs）的主要工艺，使用石英舟和石英管在常压下生长，可靠性和稳定性高。优点是可利用砷蒸汽精确控制晶体的化学剂量比，温度梯度小从而达到降低位错的目的。主要缺点是难以生长非掺杂的半绝缘砷化镓单晶，所生长的晶体界面为D形，在加工成晶片过程中将造成较大的材料浪费，且难以生长大直径的晶体。

2.2.3 垂直布里其曼法（Vertical Bridgman，简称VB）

VB法是上世纪80年代末开始发展起来的一种晶体生长工艺，将合成好的砷化镓多晶、B2O3以及籽晶装入PBN坩埚并密封在抽真空的石英瓶中，炉体垂直放置，采用电阻丝加热，石英瓶垂直放入炉体中间。高温下将砷化镓多晶熔化后与籽晶进行熔接，然后通过机械传动机构由支撑杆带动石英瓶与坩埚向下移动，在一定的温度梯度下，单晶从籽晶端开始缓慢向上生长。

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

VGF工艺与VB工艺的原理和应用领域基本类似。其最大区别在于VGF法取消了晶体下降走车机构和旋转机构，由计算机精确控制热场进行缓慢降温，生长界面由熔体下端逐渐向上移动，完成晶体生长。

3 GaAs的产业发展

3.1 产业链及供需

GaAs 材料是继硅单晶之后的第二代新型化合物半导体材料，在微电子和光电子领域有着广泛的用途。GaAs材料在世界发达国家均被视为战备储备物资，如美国将砷化镓材料的生产应用技术列入国防白皮书，从而对美国国防技术起到了重要作用。在现代军备技术中，几项关键技术均与砷化镓材料有直接关系。例如，机载相控雷达、战术红外线夜视镜，抗辐射电子元件，红外线激光导航、红外线激光瞄准仪等。近年来，发光二极管（LED）以及太阳能产业的蓬勃发展更是给砷化镓半导体材料带来了广阔的应用空间，市场前景极其繁荣。

GaAs半导体产业链包括GaAs单晶制备、晶片加工、外延芯片、IC集成电路设计以及器件应用等，其中单晶制备处于整条产业链的上游。

3.2全球产能

半绝缘砷化镓材料主要用于高频通信器件，受到近年民用无线通信市场尤其是手机市场的拉动，半绝缘砷化镓材料的市场规模也出现了快速增长的局面。2003～2008年，半绝缘砷化镓市场需求增长了54%。目前微电子用砷化镓晶片市场主要掌握在日本住友电工（Sumitomo Electric）、费里伯格（Freiberger Compound Materials）、日立电线（Hitachi Cable）和美国AXT等四家大公司手中。主要以生产4、6英寸砷化镓材料为主。

4 GaAs的发展趋势

不同于传统的硅半导体（Silicon Semiconductor），GaAs属于化合物半导体（Compound Semiconductor），又称III-V族半导体，进入4G时代，手机的射频前段变得更加复杂，手机射频系统主要元件包括收发器Transceiver、功率放大器Power Amplifier、滤波器Filters和Antenna Switches。2011年此市场规模大约为38亿美元，到2016年达到50億美元。

根据IMF测算，每1美元半导体芯片的产值可带动相关电子信息产业10美元产值，并带来100美元GDP，这种价值链的放大效应奠定了半导体行业在国民经济中的重要地位。从2013年到2018年，全球半导体市场规模从3056亿美元迅速提升至4688亿美元，年均复合增长率达到8.93%。根据IC Insights统计，从2013年到2018年仅中国半导体集成电路市场规模就从820亿美元扩大至1550亿美元，年均复合增长率约为13.58%。

未来随着5G市场的发展，中国的半导体产业也将进入加速发展的阶段，伴随着越来越多领域的需求，在射频前端等高频领域占有重要作用的GaAs器件也将得到更多更广泛的应用。

（作者单位：中国电子科技集团公司第29研究所）