半导体砷化镓材料的分析 砷化镓半导体

砷化镓材料分析

摘要：本文主要介绍半导体材料GaAs 的性质、用途、制备工艺及国内外发展现状。半导体材料的性质和结构参数决定了他的特征以及用途。GaAs 在生活中也有着广泛的作用，通过对它的讨论希望有助于对半导体材料的认识和理解。

关键词：半导体材料 GaAs 性质 结构 特征 用途 认识

Abstract: this paper mainly introduces the properties of GaAs semiconductor materials, application, preparation technology and development situation at home and apoad. The nature of the semiconductor material and structure parameters determine his character and purpose. GaAs also has a poad role in our daily life, through the discussion of it hope to contribute to understanding and the understanding of semiconductor materials.

Keywords ：Semiconductor Materials GaAs Properties Structure Characteristics Purpose Understanding

1 引言 化合物半导体材料的研究可以追溯到上世纪初，最早报导的是1910年由Thiel 等人研究的InP 材料。1952年，德国科学家Welker 首次把Ⅲ-Ⅴ族化合物作为一种新的半导体族来研究，并指出它们具有Ge 、Si 等元素半导体材料所不具备的优越特性。五十多年来，化合物半导体材料的研究取得了巨大进展，在微电子和光电子领域也得到了日益广泛的应用。 砷化镓（GaAs ）材料是目前生产量最大、应用最广泛，因而也是最重要的化合物半导体材料，是仅次于硅的最重要的半导体材料。由于其优越的性能和能带结构，使砷化镓材料在微波器件和发光器件等方面具有很大发展潜力。目前砷化镓材料的先进生产技术仍掌握在日本、德国以及美国等国际大公司手中，与国外公司相比国内企业在砷化镓材料生产技术方面还有较大差距。

2 砷化镓材料的性质及用途 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。

砷化镓（GaAs ）材料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。因此，广泛应用于高频及无线通讯中制做IC 器件。所制出的这种高频、高速、防辐射的高温器件，通常应用于无线通信、光纤通信、移动通信、GPS 全球导航等领域。除在I C 产品应用以外，砷化镓材料也可加入其它元素改变其能带结构使其产生光电效应，制成半导体发光器件，还可以制做砷化镓太阳能电池。

3 砷化镓材料制备工艺

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 1

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。

3.1 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。LEC 工艺的主要优点是可靠性高，容易生长较长的大直径单晶，晶体碳含量可控，晶体的半绝缘特性好。其主要缺点是：化学剂量比较难控制、热场的温度梯度大（100~150 K/cm）、晶体的位错密度高达104以上且分布不均匀。日本日立电线公司于1998年首先建立了6英寸LEC 砷化镓单晶生产线，该公司安装了当时世界上最大的砷化镓单晶炉，坩埚直径400mm ，投料量50公斤，生长的6英寸单晶长度达到350 mm。德国Freiberger 公司于2000年报道了世界上第一颗采用LEC 工艺研制的8英寸砷化镓单晶。

3.2 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。HB 法的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。HB 砷化镓单晶的位错密度比LEC 砷化镓单晶的位错密度低一个数量级以上。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。同时，由于高温下石英舟的承重力所限，难以生长大直径的晶体。目前采用HB 工艺工业化大量生产的主要是2英寸和3英寸晶体，报道的HB 法砷化镓最大晶体直径为4英寸。目前采用HB 工艺进行砷化镓材料生产的公司已经不多，随着VB 和VGF 工艺的日渐成熟，HB 工艺有被逐渐取代的趋势。

3.3 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。VB 法即可以生长低阻砷化镓单晶，也可以生长高阻半绝缘砷化镓单晶。晶体的平均EPD 在5 000个/cm-2以下。

3.4 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。这种工艺由于取消了机械传动机构，使晶体生长界面更加稳定，适合生长超低位错的砷化镓单晶。VB 与VGF 工艺的缺点是晶体生长过程中无法观察与判断晶体的生长情况，同时晶体的生长周期较长。目前国际上商用水平已经可以批量生产6英寸的VB/VGF砷化镓晶体，Freiberger 公司在2002年报道了世界上第一颗采用VGF 工艺研制的8英寸砷化镓单晶。

4 国内外砷化镓材料技术的发展

4.1 国外砷化镓材料技术的现状与发展

砷化镓材料作为一种新型的电子信息材料，技术水平的发展十分迅速。目前的技术发展趋势体现在如下几个方面：

（1）晶体的尺寸、重量不断增大。半绝缘砷化镓材料在上个世纪末实现了直径从 3 英寸向 4 英寸的提升后，目前正在实现 4 英寸向 6 英寸的跃升；

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（2）材料性能上，主要集中于改善材料的电学性能径向均匀性和轴向一致性、降低材料的微观缺陷等方面；

（3）晶体的后工艺技术方面，一方面致力于超平坦晶片的研制，另一方面，着重解决晶片的免清洗问题；

（4）致力于新工艺技术的开发。VB/VGF 技术在成功地应用于光电子器件用的砷化镓材料研制后，目前已被普遍地用于半绝缘材料的研制和生产。

在本领域中，美国、日本的科技发展水平相对较高，德国上升速度较快，俄罗斯基本上停滞不前。

美国的化合物半导体材料发展是比较典型的由军事需求牵引发展起来后转为民用的例子。美国的 GaAs 材料发展一直受到军方的高度支持，特别在“Title III”计划中，美国防部投巨资给 Litton Airtron、AXT 、M/A-COM 三家企业，帮助其形成生产能力，使这三家企业成为世界著名的 GaAs 生产商。其中 Litton Airtron 公司采用常压 LEC 工艺、M/A-COM 公司采用高压 LEC 工艺主要生产半绝缘 GaAs 材料，AXT 公司采用其独创的 VGF 工艺，以生产低阻 GaAs 材料为主，也生产部分半绝缘材料，三家公司均可生产 6 英寸“开盒即用”的抛光片。日本的发展模式是以企业为主，首先发展光电子器件用 GaAs 材料，然后切入微电子用半绝缘 GaAs 材料，住友电工、日立电线目前是世界上技术水平最高、规模最大的厂商之一。其中住友电工采用 LEC 、VB 工艺，日立电线采用 LEC 、HB 、VGF 工艺，两公司 LEC 、VB 、VGF 工艺均可生长 6 英寸单晶，特别是日立电线公司 4 英寸直径 GaAs 单晶长度达到 480mm ，3 英寸直径 GaAs 单晶长度达到 770mm ，为目前世界最高水平。德国在化合物半导体材料发展方面属后起之秀，主要在东、西德合并以后，原西德瓦克公司的 GaAs 生产能力和原东德晶体研究所的技术力量加之民间资金的注入，使新成立的 Freiberger 公司的实力得到迅速提升，已成为世界著名的 GaAs 材料生产商。

4.2 国内砷化镓材料技术现状及发展趋势

我国从上世纪 60 年代初开始研制砷化镓，中科镓英公司成功拉制出我国第一根6.4 公斤 5 英寸 LEC 法大直径砷化镓单晶；信息产业部 46 所生长出我国第一根 6 英寸砷化镓单晶，单晶重 12kg ，并已连续生长出 6 根 6 英寸砷化镓单晶；西安理工大在高压单晶炉上称重单元技术研发方面取得突破性进展。2004 年，中科院半导体所研制成功了我国第一个５英寸液封直拉法（LEC ）砷化镓单晶，以及我国最重最长４英寸、６英寸液封直拉法（ＬＥＣ）砷化镓单晶，成为国内通过相关应用部门及美国、中国台湾等芯片制造商“客户认证”的晶片供应商。

2006 年 4 月，大庆国家高新技术产业开发区大庆佳昌科技有限公司正式公布：经过三年的努力，由公司首席科学家王永鸿教授带领的技术团队，采用自主创新的WLEC 法技术，成功拉制出国内第一颗直径 200 毫米砷化镓单晶，实现了我国大直径8 英寸砷化镓单晶生长技术零的突破，使我国砷化镓单晶生长技术跨入世界领先行列。由此，大庆将成为以生产优质砷化镓材料为主的具有国际影响力的化合物半导体材料重要生产基地。

砷化镓材料的尺寸经历了从 2 英寸、3 英寸、4 英寸、6 英寸的发展过程（8 英寸砷化镓单晶也于近期研制成功）。

目前砷化镓单晶材料的制备主要有 VGF 、LEC 、HB 等方法，随着单晶尺寸的增大，VGF 法已成为主流技术。我国在 LEC 和 HB 单晶生长技术方面相对较成熟。中科镓英公司于 2004 年 1 月正式投产，LEC 方法生产半绝缘砷化镓单晶，已成为国内半绝缘砷化镓单晶材料的主要供应基地。中科镓英公司的 2 英寸 HB 半导体砷化镓材料已畅销国内外，目前已占到世界市场的 10%左右。

随着国家科技体制改革的不断深入，我国的砷化镓材料产业化工作发展很快，拥有该材料技术的各研究单位正在大力实施该领域的产业化，同时国内外多家有实力的公司看好该领 3

域的良好发展前景，也在积极地涉足该领域的产业化工作，使得砷化镓材料的产业化呈现如火如荼态势。中电科技集团四十六所在收购美国 LittonAirtron 公司生产线的同时，自主开发 VB-GaAs 单晶生产技术，现在正在同时进行半绝缘砷化镓材料和低阻光电器件用砷化镓材料的产业化工作，目标是实现光电砷化镓衬底年产 20 万片、半绝缘砷化镓材料年产 15-20 万片，市场份额达到世界前四位；以中科院半导体所的技术为基础，联合北新建材等单位成立的中科镓英公司正在开展半掘缘砷化镓材料及其外延材料的产业化工作；以北京有色金属研究总院的HB-GaAs 技术为基础成立的国瑞电子公司已实现光电器件用砷化镓材料生产多年；其他如大庆佳昌、北京美西半导体材料有限公司（前身为福州晶阵半导体有限公司）、新乡市神舟晶体科技发展有限公司（原 542 厂）等公司也在积极地开展砷镓材料的产业化工作。可以讲，我国是目前世界上生产和正在积极努力准备生产砷化镓材料企业最多的国家，预示着不久的将来，中国将在该领域占据十分重要的地位。此时更迫切需要国家予以必要的支持，解决实现产业化的一些关键技术，构建起我国化合物半导体材料的产业群。

但是，我国砷化镓材料产业和国外也存在很大差距。在技术水平方面，国外LEC 、VB 、VGF 等工艺均已可生产 6 英寸单晶，国内目前只有 LEC 工艺研制出 6 英寸单晶，VB 工艺生长的单晶最大直径达到 3 英寸，VGF 工艺尚处于研发中；在晶体重量方面，国外达到 50Kg ，国内目前只有 20Kg 左右；在材料性能方面，国外可以将整锭单晶的电阻率控制在（1～3）×10 7 Ωcm ，国内目前只是控制在大于 1×10 7 Ωcm ，有时可能达到 1×10 8 Ωcm 以上；在表面几何参数方面，国外 6 英寸抛光片的TTV 可以达到 2µm ，国内在 6µm 左右，在表面质量方面，国外通过多种技术途径达到了“开盒即用”，国内还有一定差距。

5 中国砷化镓材料产业发展建议及战略发展思路

5.1 发展 砷化镓材料产业的建议

砷化镓材料于上世纪九十年代初到九十年代末，其产量与产值基本保持每年百分之十几的增长趋势，到九十年代末期增长速度加快。近几年砷化镓相关产业以每年 35%的增长速度递增；其增长最快的几个领域是，移动通信、卫星通讯、光纤通讯、半导体照明，增长速率在 40%以上。砷化镓相关产业 1999 年产值已超过 20 亿美元，到 2005 年超过了 100 亿美元。

国内开展砷化镓单晶材料的研究已有 20 多年历史，在了 LEC 和 HB 生长砷化镓单晶材料水平均方面和国际产品水平相当，特别是目前中科镓英公司已实现 LEC 砷化镓单晶及各种类型砷化镓晶片加工的产业化生产，可以说已经具备了快速发展的基本条件。

砷化镓材料产业是现代信息产业链中最重要的基础产业之一。国家已把微电子作为重点发展行业，砷化镓已被列入中国信息产业“十五”期间重点产品。

首先它将推动相关的砷化镓光电子器件、砷化镓微电子器件、电路的产业化发展，进而推动如半导体照明、移动电话、卫星定位系统、无线数据传输、卫星直播系统、高速测量系统等多领域的发展。砷化镓材料的产业化不仅推动其下游领域的产业化发展，同时还将带动其上游领域的发展。我国是金属镓资源的富国，砷化镓材料的产业化将带动高纯镓产业的迅速发展。

把砷化镓当成产业链的源头是正确的。从整个产业链的角度来说，砷和镓是很小的产业，但到了砷化镓的时候，这个产业就很大了，而到了器件电路的时候产业就更大了。按照粗略的估算可以认为，它们之间符合 1：10：100 ：1000 的比例。假如器件和电路有300 亿美元的市场，那么砷化镓晶片和外延片市场大约会有30 亿美元。

5.2 砷化镓材料产业的特性

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（1）非标准化产品，量产不易:

砷化镓产品并非标准化产品，每个产品特性皆因客户要求的不同而异，因此无法像矽晶圆厂般量产.

（2) 认证时间长，单价高，订单稳定性佳:

由於砷化镓产品的品质控制仍不稳定，所以 IDM 大厂认证作业时间长，通常初次测试加上 reliability 测验约需 8 个月以上，但是单价高且订单稳定性佳.

（3) 客户稳定性佳:

砷化镓产品为客制化产品，所以必须与客户紧密配合，共同开发新产品. 由於与客户长期配合新产品的开发，且经过客户长期的测试与验证，使得客户将不会轻易转移订单，客户的稳定性佳.

（4）进入障碍高:

砷化镓域发展过去受限於国防工业，具人才稀有性，产业量产制程的研发时程尚短，因此较矽晶圆代工制程落后，使得目前的制程稳定度控制不易，技术障碍极高，良率的高低为该行业目前决胜要点. 鉴于镓市场变化特点及世界镓生产公司采用的通行办法，对于上街区企业要进入镓的生产和市场，建议企业最好是采用与化合物半导体厂家建立合资公司的方式，一是获得稳定的市场，二是能避免市场突变的巨大风险。

5.3 发展砷化镓材料产业的战略思路

（1）从国民经济发展、国防安全的需要和电子信息技术的发展规律考虑战略发展思路。 当今社会已进入信息时代。信息社会的标志是大容量信息的快速采集、处理、传输及存储，其依赖的技术基础是微电子技术。过去 30 多年来，微电子技术一直以硅为主。硅微电子技术的发展基本上遵循摩尔法则，即集成在芯片上的 MOS 晶体管数量每隔 18 个月翻一番，这是通过不断技术进步，逐渐减少器件线宽尺寸来实现的。但这种线宽尺寸的减小是有限度的，硅微电子终将受物理极限尺寸和 SiO 2 介电性质的限制，据预计，这种发展模式最多能持续 10~15 年左右时间，速度、频率的进一步提高将非常困难。而现代社会产生的信息量却呈爆炸之势，因此，在可预见的不久的将来，硅微电子技术无法适应信息社会的发展必将成为不争的事实，取而代之的或在一定领域内取而代之的将是化合物微电子。化合物微电子主要以III-V 族化合物半导体材料为基础。该类材料（典型的如 GaAs 、InP 等）由于具有电子迁移率高、禁带宽度大等特点，其器件和集成电路在工作速度、频率等方面具有硅器件/电路不可比拟的优势，而这些正好符合大容量信息快速采集、处理、传输的要求，同时，多种III-V 族化合物半导体材料不仅可以制作优良的微电子器件，同时还可以制作光电子器件，因此化合物微电子、光电子技术近年来发展十分迅速，在许多国民经济的高技术领域和军用电子领域应用十分广泛，发挥着十分重要的作用，因此，从国民经济发展、国防安全的需要和电子信息技术的发展规律出发，优先发展化合物微电子特别是其基础的III-V 族化合物半导体材料是非常重要的。

（2）从现有的技术基础考虑战略发展思路

由于在国民经济和国防安全中的重要性，长期以来，在国家各有关计划的支持下，化合物微电子、光电子技术得到了迅速发展，与国外差距已不是很大，具备了在这一领域在国际上占据一席之地的技术基础。以 GaAs 材料为例，从“七五”计划开始，国家重大科技攻关、“863”重大专项、军事预研、军品攻关、技措技改等多渠道支持材料和器件的研制，使得该领域的研制技术已与国外相当。因此在现有基础上只要再有适量投入，即可赶上或超过国际先进水平，占领电子信息技术制高点，实现微电子技术的跨越式发展。

（3）从产业发展的需求考虑战略发展思路

随着国家科技体制改革的不断深入，拥有化合物微电子技术的各研究单位正在实施该领域的产业化，同时国内外多家有实力的公司看好该领域的良好发展前景，也在积极地涉足 5

该领域的产业化工作，使得化合物微电子的产业化呈现如火如荼态势。仍以 GaAs 为例，单晶材料方面，即有中电科技集团四十六所、中科镓英、北京国瑞、大庆佳昌、福州晶阵等公司在开展产业化工作，外延材料方面，有山东华光、厦门三安、青岛澳龙、广州普光、河北汇能等多家在进行产业化工作，器件/电路方面，中电科技集团十三所、五十五所的引进线正在紧张地试生产，深圳市贝光通科技有限公司、矽感科技有限公司等四家公司共投资

7.5 亿元的 GaAs 电路项目已落户矽感科技园。因此 GaAs 微电子的产业链已初具规模，此时更迫切需要国家予以必要的支持，解决实现产业化的一些关键技术，构建起我国化合物半导体材料的产业群。

（4）从发展效果考虑战略发展思路

大力发展化合物微电子可以实现二个效果。一方面，由于化合物微电子、光电子技术代表着电子信息技术的最前沿领域，该领域的产业化意味着我国电子信息技术的跨越式发展；另一方面，近年来，由于经济不景气等因素影响，西方各国在化合物微电子领域逐渐收缩。以 GaAs 单晶材料为例，美国原有三个生产厂家，其中生产规模最大的 Litton Airtron 公司已经关闭，整条生产线已被中电科技集团四十六所收购。生产规模居第二位的 AXT 公司全部生产线已转移至中国。目前只有最小的M/A-COM 公司处于半停产状态。日本原有 GaAs 材料生产厂家近十家，目前只有二家规模最大的住友电工、日立电线仍在维持，但近来一直也在和国内企业探讨，向中国转移生产线或合作生产的可能性。因此存在这样的可能，即中国的 GaAs 材料形成生产规模、加入该领域的竞争后，国际 GaAs 材料产能将进一步向中国集中，届时中国 GaAs 材料生产与出口将具有举足轻重的份量，一旦国际形势出现风吹草动，GaAs 材料可以作为中国政府的战略物资，制约某些国家诸多高技术领域特别是国防领域的运转。

6 结论

砷化镓材料是最重要的半导体材料之一，其应用领域不断扩大，产业规模也在急剧扩张，在民用与军事领域发挥着不可替代的作用。由于种种原因，我国的砷化镓材料产业发展速度迟缓，与国际先进水平的差距还很大。砷化镓材料的发展方向是大直径、低缺陷、工业化大规模生产。欧、美、日等发达国家在此方面占有绝对优势，我国应充分发挥国家和企业的力量，加大对砷化镓材料研发的投入力度，尽快赶上国际先进水平。

参考文献：

【1】《砷化镓：应用广泛的半导体材料》 江莹 2004年

【2】《砷化镓材料国内外现状及发展趋势》 中国电子科技集团 纪秀峰

【3】《砷化镓调研报告》 中国电子材料行业协会

【4】《半导体材料》 杨树人 科学出版社

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