國產廠商砷化鎵材料生產技術發展不均衡

王明

新材料、儀器儀表、大數據

  • 2019-12-31
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目前,我國占據全球LED用導電砷化鎵絕大部分市場,從襯底材料到外延、芯片等產業鏈完整,在該領域具備低成本優勢。但集成電路和功率器件用的大直徑半絕緣砷化鎵材料生產技術還是掌握在少數國際大公司手中,國內所用的4-6英寸半絕緣砷化鎵晶片仍然全部依賴進口,并且砷化鎵微電子器件的制造水平也遠遠落后于國外。

  摘要:隨著5G時代的到來,毫米波、大規模陣列天線技術以及小型的基站,將大量運用射頻元件,其中將大量運用砷化鎵制程,砷化鎵(GaAs)作為無線通信的核心材料迎來了快速發展時期。而國內企業在生產技術方面與國外企業還有較大的差異。本文對砷化鎵材料生產技術發展現狀進行了分析。

  日美德掌握核心生產工藝,VGF和VB成為砷化鎵材料最主流的技術

  從20世紀50年代開始,人們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。砷化鎵襯底材料制備工藝路線,如下圖所示。

圖1 砷化鎵襯底材料制備工藝

(來源:知網)

  目前,生產砷化鎵襯底材料的廠商主要集中在日本、德國、美國和中國。但砷化鎵材料的先進生產技術仍掌握在日本、德國以及美國等個別國際大公司手中,與國外公司相比,國內企業在砷化鎵生產技術方面還有較大差距。砷化鎵最前沿的成果是Φ8”單晶,由德國Freiberger分別采用LEC和VGF方法研制出。目前,國際上商用水平最大直徑的砷化鎵是Φ6”單晶。

  砷化鎵單晶生長主流的方法有4種。HB方法最大能生長Φ3”單晶,該方法的應用市場規模小,但近幾年較穩定。LEC方法可生長Φ4”和Φ6”半絕緣砷化鎵,近幾年用量越來越少。近兩年發展較快的是VGF或VB方法,已經成為砷化鎵材料最主流的技術。國內幾家公司的4英寸、6英寸GaAs生產線紛紛開工,這些公司都將逐漸轉入大直徑砷化鎵晶片生產。雖然國內Φ2”砷化鎵LED外延產線將長期存在,但用量將減少,逐漸轉變為以Φ4”平臺為主。

  半絕緣砷化鎵全部依賴進口,低端LED用的砷化鎵材料工藝技術發展速度快

  我國的砷化鎵材料行業,雖然受到國家的高度重視,但由于投資強度不足且分散,研究基礎一直比較薄弱,發展速度緩慢。只是近幾年由于半導體照明產業的拉動作用,發展速度有所加快,但也僅限于低端LED用的砷化鎵材料,高端LED如汽車大燈LED,從材料到外延均由國外公司掌握。目前,我國占據全球LED用導電砷化鎵絕大部分市場,從襯底材料到外延、芯片等產業鏈完整,在該領域具備低成本優勢。但集成電路和功率器件用的大直徑半絕緣砷化鎵材料生產技術還是掌握在少數國際大公司手中,國內所用的4-6英寸半絕緣砷化鎵晶片仍然全部依賴進口,并且砷化鎵微電子器件的制造水平也遠遠落后于國外。

  國內企業發展時間短,產品質量和大直徑砷化鎵工藝落后

  砷化鎵材料的主要生產企業有:日本SEI、德國Freiberger、美國AXT、中科晶電、有研光電、廣東先導、大慶佳昌、中電科46所、云南鍺業等幾家。日本SEI以VB砷化鎵為主,其Φ4”和Φ6”GaAs拋光片主要是自用和在日本市場銷售,有少部分出口美國、中國臺灣市場,產品質量處于國際領先水平。德國Freiberger公司主要以VGF、LEC方法生產2、4、6英寸砷化鎵,主要應用到微電子領域。美國AXT公司,生產基地在中國,產品主要以VGF法生產的2、3、4、6英寸砷化鎵材料為主,一半用作LED襯底,一半用作微電襯底,管理和技術實力也較強。中科晶電是成立于2006年的合資公司,生產基地位于北京、山西、江蘇等地,從事2-6英寸導電型VGF砷化鎵生產,全部用作LED襯底。廣東先導、大慶佳昌和云南鍺業是近兩年發展起來的,主要產品也是2-6英寸導電型砷化鎵。中電科46所,生產少量4英寸晶片,部分提供給中電科55所。國內有研光電公司,生產基地位于河北廊坊,是全球最大的HB砷化鎵生產企業,也掌握了2-4英寸VGF砷化鎵生長技術。國內企業在大直徑砷化鎵生產方面與國外企業仍存在很大差距。

  結語

  隨著5G時代的到來,砷化鎵作為無線通信的核心材料迎來了快速發展時期。日本、美國、德國掌握核心生產工藝,其中VGF和VB成為砷化鎵材料最主流的技術。國內企業發展時間短,低端LED用的砷化鎵材料發展速度快。產品質量和大直徑砷化鎵工藝落后,半絕緣砷化鎵全部依賴進口,技術發展不均衡。

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