你不一定知道的砷化鎵
發(fā)布人：旺材芯片
時(shí)間：2022-04-24
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來(lái)源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察
砷化鎵是什么？
砷化鎵(GaAs)作為第二代半導(dǎo)體其價(jià)格昂貴而素有“半導(dǎo)體貴族”之稱。砷化鎵是當(dāng)代國(guó)際公認(rèn)的繼“硅”之后最成熟的化合物半導(dǎo)體材料，具有高頻率、高電子遷移率、高輸出功率、低噪音以及線性度良好等優(yōu)越特性，是光電子和微電子工業(yè)最重要的支撐材料之一。以砷化鎵為代表的第二代半導(dǎo)體，廣泛應(yīng)用于制造高頻、高速、大功率、低噪聲、耐高溫、抗輻照等集成電路領(lǐng)域，已經(jīng)發(fā)展成為現(xiàn)代電子信息產(chǎn)品”和“信息高速公路”關(guān)鍵技術(shù)，5G芯片市場(chǎng)非常好，產(chǎn)品供不應(yīng)求。砷化鎵(GaAs)是光電及手機(jī)網(wǎng)通高頻通訊不可或缺的元件，近幾年隨著物聯(lián)網(wǎng)(loT)、車(chē)聯(lián)網(wǎng)及Al(人工智慧)應(yīng)用激增，各國(guó)加速布建5G基礎(chǔ)建設(shè)，加上蘋(píng)果iPhoneX導(dǎo)入臉部辨識(shí)功能，帶動(dòng)砷化鎵VCSEL及高階通訊元件需求大增。面對(duì)砷化鎵產(chǎn)業(yè)大商機(jī)，國(guó)內(nèi)外砷化鎵及光電廠無(wú)不傾全力搶進(jìn)。以下為砷化鎵材料與其他半導(dǎo)體材料的屬性對(duì)比：
表一、砷化鎵材料與其他半導(dǎo)體材料的屬性對(duì)比
砷化鎵可在一塊芯片上同時(shí)處理光電數(shù)據(jù)，因而被廣泛應(yīng)用于遙控、手機(jī)、DVD計(jì)算機(jī)外設(shè)、照明等諸多光電子領(lǐng)域。另外，因其電子遷移率比硅高6倍，砷化鎵成為超高速、超高頻器件和集成電路的必需品。它還被廣泛使用于軍事領(lǐng)域，是激光制導(dǎo)導(dǎo)彈的重要材料，曾在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中大顯神威，贏得“砷化鎵打敗鋼鐵”的美名。據(jù)悉，砷化鎵單晶片的價(jià)格大約相當(dāng)于同尺寸硅單晶片的20至30倍。盡管價(jià)格不菲，目前國(guó)際上砷化鎵半導(dǎo)體的年銷(xiāo)售額仍在10億美元以上。在“十五”計(jì)劃中，我國(guó)將實(shí)現(xiàn)該產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化，以占據(jù)國(guó)際市場(chǎng)。
砷化鎵的制造流程
砷化鎵，作為化合物半導(dǎo)體的一種，其生產(chǎn)流程與大多數(shù)化合物半導(dǎo)體碳化硅、磷化銦等相似，都包括多晶合成、單晶生長(zhǎng)后再經(jīng)過(guò)切割、磨邊、研磨、拋光、清洗等多道工藝后真空封裝成品，其中多晶合成、單晶晶體生長(zhǎng)是核心工藝。但是其也有自己的獨(dú)特之處，文章將詳細(xì)介紹單晶片以及襯底的特殊之處：
1. 砷化鎵單晶
砷化鎵單晶砷化鎵單晶的導(dǎo)帶為雙能谷結(jié)構(gòu)，其最低能谷位于第一布里淵區(qū)中心，電子有效質(zhì)量是0.068m0 (m0為電子質(zhì)量，見(jiàn)載流子)，次低能谷位于<111>方向的L點(diǎn)，較最低能谷約高出0.29eV，其電子有效質(zhì)量為0.55m0，價(jià)帶頂約位于布里淵區(qū)中心，價(jià)帶中輕空穴和重空穴的有效質(zhì)量分別為0.082m0和0.45m0。較純砷化鎵晶體的電子和空穴遷移率分別為8000cm2/(V·s)和100～300cm2/(V·s)，少數(shù)載流子壽命為10-2～10-3μs。在其中摻入Ⅵ族元素Te、Se、S等或Ⅳ族元素Si，可獲得N型半導(dǎo)體，摻入Ⅱ族元素Be、Zn等可制得P型半導(dǎo)體，摻入Cr或提高純度可制成電阻率高達(dá)107～108Ω·cm的半絕緣材料。
制備GaAs單晶的方法有區(qū)熔法和液封直拉法。用擴(kuò)散、離子注入、氣相或液相外延及蒸發(fā)等方法可制成PN結(jié)、異質(zhì)結(jié)、肖特基結(jié)和歐姆接觸等。近十余年來(lái)，由于分子束外延和金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)技術(shù)的發(fā)展，可在GaAs單晶襯底上制備異質(zhì)結(jié)和超晶格結(jié)構(gòu)，已用這些結(jié)構(gòu)制成了新型半導(dǎo)體器件如高電子遷移率晶體管(HEMT)、異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管(HBT)及激光器等，為GaAs材料的應(yīng)用開(kāi)發(fā)了更廣闊的前景。
2. 砷化鎵外延材料
外延材料的制備采用氣相沉積或液相沉積等方法，使鎵、砷源或其衍生物在以砷化鎵或其他材料為襯底的表面上生長(zhǎng)砷化鎵或其他材料的單晶薄膜，統(tǒng)稱為砷化鎵外延材料。襯底和外延層如由同一種材料構(gòu)成的則稱為同質(zhì)結(jié)外延層，如由不同材料構(gòu)成則稱為異質(zhì)結(jié)外延層。外延材料可以是單層結(jié)構(gòu)，也可以是多層結(jié)構(gòu)。砷化鎵的外延材料的制備方法與大眾化合物半導(dǎo)體相差無(wú)幾，主要有氣相外延法和液相外延法。氣相外延法：通過(guò)氣相輸運(yùn)和氣相反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)薄膜生長(zhǎng)的一種工藝過(guò)程。通常采用氯化物法和氫化物法生長(zhǎng)砷化鎵外延層，Ga-AsCl3-H2已成為氯化物法的代表工藝，其特點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn)高純生長(zhǎng)。1970年美國(guó)麻省理工學(xué)院華爾夫(Walf)得到砷化鎵氣相外延層的電子濃度和電子遷移率為n77k＝7×1013cm-3和μ77k＝2.1×105cm2/(V·s)；液相外延法：在一定溫度下的砷化鎵飽和溶液，通過(guò)降溫使溶液過(guò)飽和，則在砷化鎵襯底上按一定的晶向生長(zhǎng)砷化鎵薄膜。據(jù)1969年的報(bào)道結(jié)果是：77K時(shí)的電子濃度和電子遷移率為n77k＝7.6×1012cm-3、μ77k＝1.75×105cm2/(V·s)。
3. 綜合而言
對(duì)于單晶制備的方法對(duì)比，目前砷化鎵晶體主流生長(zhǎng)工藝包括LEC法、HB法、VB法以及VGF法等，其中Sumitomo砷化鎵單晶生產(chǎn)以VB法為主，F(xiàn)reiberger以VGF和LEC法為主，而北京通美則以VGF法為主。目前國(guó)內(nèi)涉及砷化鎵襯底業(yè)務(wù)的公司較少，除北京通美外，廣東先導(dǎo)先進(jìn)材料股份有限公司等公司在生產(chǎn)LED的砷化鎵襯底方面已具備一定規(guī)模。
對(duì)于各種方法發(fā)的對(duì)比，文章有以下介紹：
①在單晶直徑上，目前 HB 法生長(zhǎng)的單晶直徑最大一般是 3 英寸，LEC 法生長(zhǎng)的單晶直徑最大可以到 12 英寸，但是使用 LEC 法生長(zhǎng)單晶晶體設(shè)備投入成本高，且生長(zhǎng)的晶體不均勻且位錯(cuò)密度大。目前 VGF 法和 VB 法生長(zhǎng)的單晶直徑最大可達(dá)8英寸，生長(zhǎng)的晶體較為均勻且位錯(cuò)密度較低；②在單晶質(zhì)量上，相較其他方法VGF法生長(zhǎng)的晶體位錯(cuò)密度低且生產(chǎn)效率穩(wěn)定；③在生產(chǎn)成本上，HB法的成本最低，LEC法的成本最高，VB法和VGF法生產(chǎn)的產(chǎn)品性能類(lèi)似，但是VGF法取消了機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，能以更低成本穩(wěn)定生產(chǎn)單晶。下圖為國(guó)內(nèi)某公司與國(guó)家砷化鎵行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比：
圖一、國(guó)內(nèi)某公司半絕緣砷化鎵與國(guó)際先進(jìn)水平的對(duì)比
全球競(jìng)爭(zhēng)格局
砷化鎵產(chǎn)業(yè)鏈上游為砷化鎵晶體生長(zhǎng)、襯底和外延片生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)。襯底是外延層半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)的基礎(chǔ)，在芯片中起到承載和固定的關(guān)鍵作用。生產(chǎn)砷化鎵襯底的原材料包括金屬鎵、砷等，由于自然界不存在天然的砷化鎵單晶，需要通過(guò)人工合成制備；砷化鎵襯底生產(chǎn)設(shè)備主要涉及晶體生長(zhǎng)爐、研磨機(jī)、拋光機(jī)、切割機(jī)、檢測(cè)與測(cè)試設(shè)備等。砷化鎵產(chǎn)業(yè)鏈下游應(yīng)用主要涉及5G通信、新一代顯示（Mini LED、Micro LED）、無(wú)人駕駛、人工智能、可穿戴設(shè)備等多個(gè)領(lǐng)域。
化合物半導(dǎo)體因?yàn)樾袠I(yè)整體規(guī)模較小，非標(biāo)準(zhǔn)化程度高，以代工模式為主。歐美主導(dǎo)砷化鎵產(chǎn)業(yè)鏈，中國(guó)臺(tái)灣廠商壟斷代工。日本的住友、德國(guó)的Freiberger和美國(guó)的AXT三家合計(jì)約占全球半絕緣型襯底90%的市場(chǎng)份額。受襯底尺寸限制，目前的生產(chǎn)線以4英寸和6英寸晶圓為主，部分企業(yè)也開(kāi)始導(dǎo)入8英寸產(chǎn)線，但還沒(méi)有形成主流。由于砷化鎵是以Emitterbase-Collector垂直結(jié)構(gòu)為主，晶體管數(shù)量只在百顆數(shù)量級(jí)；而硅晶圓是Source Gate Drain的平面設(shè)計(jì)，晶體管數(shù)量達(dá)到數(shù)千萬(wàn)數(shù)量級(jí)，所以砷化鎵在制程研發(fā)上并沒(méi)有像硅晶圓代工行業(yè)那樣明顯的優(yōu)勢(shì)。
4、6 英寸半絕緣砷化鎵拋光片生產(chǎn)技術(shù)主要掌握在日本住友電工（Sumitomo Electric Industries）、德國(guó)費(fèi)里伯格（Freiberger Compound Material）、美國(guó) AXT 三個(gè)公司手中。這些公司的產(chǎn)品占據(jù)著砷化鎵市場(chǎng)的絕大部分份額。砷化鎵單晶生長(zhǎng)技術(shù)也向成晶率高、成本低的VB/VGF單晶生長(zhǎng)技術(shù)轉(zhuǎn)移。至2015年，6英寸襯底已占據(jù)市場(chǎng)份額90%以上。銷(xiāo)售的6英寸半絕緣砷化鎵產(chǎn)品的電阻率從107Ω·cm覆蓋到108Ω·cm，具有較高的晶體軸向和徑向電阻率均勻性。拋光片的加工幾何參數(shù)如TTV、Warp、LTV也很小。拋光片表面質(zhì)量狀態(tài)也優(yōu)良，如顆粒少，表面進(jìn)行鈍化處理，產(chǎn)品的保存時(shí)間長(zhǎng)。具體世界市場(chǎng)分布如下圖：
圖二、砷化鎵材料世界市場(chǎng)分布
注：圖片來(lái)源于北京通美招股書(shū)
砷化鎵產(chǎn)業(yè)鏈
圖三、砷化鎵產(chǎn)業(yè)鏈
注：圖片來(lái)源于北京通美招股書(shū)
全球砷化鎵襯底市場(chǎng)集中度較高，根據(jù)Yole統(tǒng)計(jì)，2019年全球砷化鎵襯底市場(chǎng)主要生產(chǎn)商包括Freiberger、Sumitomo和北京通美，其中Freiberger占比 28%、Sumitomo占比21%、北京通美占比13%。目前砷化鎵晶體主流生長(zhǎng)工藝包括LEC法、HB法、VB法以及VGF法等，其中Sumitomo砷化鎵單晶生產(chǎn)以VB法為主，F(xiàn)reiberger以VGF和LEC法為主，而北京通美則以VGF法為主。目前國(guó)內(nèi)涉及砷化鎵襯底業(yè)務(wù)的公司較少，除北京通美外，廣東先導(dǎo)先進(jìn)材料股份有限公司等公司在生產(chǎn)LED的砷化鎵襯底方面已具備一定規(guī)模。得益于下游應(yīng)用市場(chǎng)需求持續(xù)旺盛，砷化鎵襯底市場(chǎng)規(guī)模將持續(xù)擴(kuò)大。根據(jù)Yole測(cè)算，2019年全球折合二英寸砷化鎵襯底市場(chǎng)銷(xiāo)量約為2,000萬(wàn)片，預(yù)計(jì)到2025年全球折合二英寸砷化鎵襯底市場(chǎng)銷(xiāo)量將超過(guò)3,500萬(wàn)片；2019年全球砷化鎵襯底市場(chǎng)規(guī)模約為 2 億美元，預(yù)計(jì)到 2025 年全球砷化鎵襯底市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到 3.48 億美元，2019-2025年復(fù)合增長(zhǎng)率9.67%。
砷化鎵的用途
砷化鎵是當(dāng)前主流的化合物半導(dǎo)體材料之一，其應(yīng)用可以分為三個(gè)階段。第一階段自20世紀(jì)60年代起，砷化鎵襯底開(kāi)始應(yīng)用于LED及太陽(yáng)能電池，并在隨后30年里主要應(yīng)用于航天領(lǐng)域。第二階段自20世紀(jì)90年代起，隨著移動(dòng)設(shè)備的普及，砷化鎵襯底開(kāi)始用于生產(chǎn)移動(dòng)設(shè)備的射頻器件中。第三階段自2010年起，隨著LED以及智能手機(jī)的普及，砷化鎵襯底進(jìn)入了規(guī)?；瘧?yīng)用階段，例如2017年，iPhone X首次引入了VCSEL用于面容識(shí)別，生產(chǎn) VCSEL 需要使用砷化鎵襯底，砷化鎵襯底應(yīng)用場(chǎng)景再次拓寬。2021年，隨著Apple、Samsung、LG、TCL等廠商加入Mini LED市場(chǎng)，砷化鎵襯底的市場(chǎng)需求將迎來(lái)爆發(fā)性增長(zhǎng)。目前，砷化鎵襯底主要應(yīng)用下游器件包括射頻器件、LED、激光器。
（一）砷化鎵材質(zhì)的射頻器件應(yīng)用介紹
射頻器件是實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)送和接收的關(guān)鍵器件，射頻器件主要包括功率放大器、射頻開(kāi)關(guān)、濾波器、數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換器等器件，其中，功率放大器是放大射頻信號(hào)的器件，其直接決定移動(dòng)終端和****的無(wú)線通信距離和信號(hào)質(zhì)量。由遷移率和高飽和電子速率的顯著優(yōu)勢(shì)，砷化鎵一直是制造射頻功率放大器的主流襯底材料之一。4G時(shí)代起，4G****建設(shè)及智能手機(jī)持續(xù)普及，用于制造智能手機(jī)射頻器件的砷化鎵襯底需求量開(kāi)始上升。進(jìn)入5G時(shí)代之后，5G通信對(duì)功率、頻率、傳輸速度提出了更高的要求，使用砷化鎵襯底制造的射頻器件非常適合應(yīng)用于長(zhǎng)距離、長(zhǎng)通信時(shí)間的高頻電路中，因此，在5G時(shí)代的射頻器件中，砷化鎵的材料優(yōu)勢(shì)更加顯著。隨著5G****建設(shè)的大量鋪開(kāi)，將對(duì)砷化鎵襯底的需求帶來(lái)新的增長(zhǎng)動(dòng)力；與此同時(shí)，單部5G手機(jī)所使用的射頻器件數(shù)量將較4G手機(jī)大幅增加，也將帶來(lái)對(duì)砷化鎵襯底需求的增長(zhǎng)。伴隨5G通信技術(shù)的快速發(fā)展與不斷推廣，5G****建設(shè)以及5G手機(jī)的推廣將使砷化鎵基射頻器件穩(wěn)步增長(zhǎng)。
手機(jī)中射頻（RF）器件的成本越來(lái)越高。一個(gè)4G全網(wǎng)通手機(jī)，前端RF套片的成本已達(dá)到8-10美元，含有10顆以上射頻芯片，包括2-3顆PA、2-4顆開(kāi)關(guān)、6-10顆濾波器。未來(lái)隨著5G的到來(lái)，RF套片的成本很可能會(huì)超過(guò)手機(jī)主芯片。再加上物聯(lián)網(wǎng)的爆發(fā)，勢(shì)必會(huì)將射頻器件的需求推向高潮。通常情況下，一部手機(jī)主板使用的射頻芯片占整個(gè)線路面板的30%-40%。據(jù)悉，一部iPhone 7僅射頻芯片的成本就高達(dá)24美元，有消息稱蘋(píng)果今年每部手機(jī)在射頻芯片上的投入將歷史性地超過(guò)30美元。隨著智能手機(jī)迭代加快，射頻芯片也將迎來(lái)一波高峰。
根據(jù)Yole預(yù)測(cè)，2025年全球射頻器件砷化鎵襯底（折合二英寸）市場(chǎng)銷(xiāo)量將超過(guò)965.70萬(wàn)片，2019-2025年年均復(fù)合增長(zhǎng)率為6.32%。2025年全球射頻器件砷化鎵襯底市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò)9,800萬(wàn)美元，2019-2025年年均復(fù)合增長(zhǎng)率為 5.03%。據(jù)YOLE數(shù)據(jù)分析，射頻器件銷(xiāo)售與市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)如下：
圖四、射頻器件砷化鎵襯底銷(xiāo)量與市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)
注：圖片來(lái)源于北京通美招股書(shū)
（二）砷化鎵材質(zhì)的LED應(yīng)用介紹
LED是由化合物半導(dǎo)體（砷化鎵、氮化鎵等）組成的固體發(fā)光器件，可將電能轉(zhuǎn)化為光能。不同材料制成的 LED 會(huì)發(fā)出不同波長(zhǎng)、不同顏色的光，LED 按照發(fā)光顏色可分為單色 LED、全彩 LED 和白光 LED 等類(lèi)型。LED 根據(jù)芯片尺寸可以區(qū)分為常規(guī) LED、Mini LED、Micro LED 等類(lèi)型，其中常規(guī) LED 主要應(yīng)用于通用照明、戶外大顯示屏等，Mini LED、Micro LED 應(yīng)用于新一代顯示。Mini LED背光市場(chǎng)加速放量：在電視方面，2022年3月9日TCL發(fā)布三款Mini LED電視新品，并發(fā)布了新一代QD-Mini LED技術(shù)，除了TCL外，包括三星、索尼、LG等國(guó)際品牌，以及創(chuàng)維、小米、華為、海信等國(guó)產(chǎn)品牌，都持續(xù)研發(fā)并推出Mini LED背光電視。據(jù)LEDinside，2022年整體Mini LED背光電視出貨量將挑戰(zhàn)450萬(wàn)臺(tái)，與2021年相比呈翻倍增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。在筆電方面，根據(jù)Omdia最新調(diào)研顯示，2021年配備Mini LED背光的筆電面板出貨量達(dá)到450萬(wàn)片，筆電滲透率激增至1.6%，2022年Mini LED筆電面板出貨量預(yù)計(jì)為990萬(wàn)片，滲透率為3%。隨著Mini LED技術(shù)不斷成熟，良品率逐步提升，Mini LED背光成本正在每年下降15-20%，Mini LED已經(jīng)成為了當(dāng)代主流顯示技術(shù)，滲透率有望加速提升。
Mini/Micro LED規(guī)?；瘧?yīng)用主要為兩個(gè)方向，一種是RGB直接顯示，使用Mini/Micro LED可以實(shí)現(xiàn)更小尺寸更高分辨率的顯示方案；另一種是使用Mini/Micro LED做為背光方案，應(yīng)用于TV、車(chē)載、筆記本電腦、顯示器等。其中，Mini LED背光技術(shù)能有效的提升液晶顯示器在對(duì)比度和能耗方面的短板；同時(shí)，背靠全球最成熟、最具規(guī)模優(yōu)勢(shì)的液晶顯示產(chǎn)業(yè)鏈，有望率先在消費(fèi)市場(chǎng)得到大規(guī)模應(yīng)用普及?！癕ini LED直顯對(duì)技術(shù)要求更高，而且主要是超大屏需求，價(jià)格處于高位，消費(fèi)群體比較有限。MiniLED背光模組可以應(yīng)用于電視、筆記本電腦、平板電腦、顯示器等，在增加部分成本的基礎(chǔ)上改善這些應(yīng)用的顯示效果，提升產(chǎn)品溢價(jià)空間，能更好地滿足消費(fèi)者需求。
隨著LED照明普及率的不斷提高，常規(guī)LED芯片及器件的價(jià)格不斷走低。常規(guī)LED芯片尺寸為毫米級(jí)別，對(duì)砷化鎵襯底的技術(shù)要求相對(duì)較低，屬于砷化鎵襯底的低端需求市場(chǎng)，產(chǎn)品附加值較低，該等市場(chǎng)主要被境內(nèi)砷化鎵襯底企業(yè)占據(jù)，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈；而新一代顯示所使用的Mini LED 和 Micro LED芯片尺寸為亞毫米和微米級(jí)別，對(duì)砷化鎵襯底的技術(shù)要求很高，市場(chǎng)主要被全球第一梯隊(duì)廠商所占據(jù)。據(jù)YOLE數(shù)據(jù)分析，LED器件銷(xiāo)售與市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)如下：
圖五、LED器件砷化鎵襯底銷(xiāo)量與市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)
注：圖片來(lái)源于北京通美招股書(shū)
根據(jù) Yole 預(yù)測(cè)，Mini LED 及 Micro LED 器件砷化鎵襯底的需求增長(zhǎng)迅速，2025年全球 Mini LED 及 Micro LED 器件砷化鎵襯底（折合二英寸）市場(chǎng)銷(xiāo)量將從 2019年的 207.90 萬(wàn)片增長(zhǎng)至 613.80 萬(wàn)片，年復(fù)合增長(zhǎng)率為 19.77%；2019 年全球 Mini LED及 Micro LED 器件砷化鎵襯底市場(chǎng)規(guī)模約為 1,700 萬(wàn)美元，預(yù)計(jì)到 2025 年全球砷化鎵襯底市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到 7,000 萬(wàn)美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率為26.60%。
圖六、1990—2030年LED增長(zhǎng)預(yù)測(cè)圖
注：圖片來(lái)源于北京通美招股書(shū)
（三）砷化鎵材質(zhì)的激光器應(yīng)用介紹
激光器是使用受激輻射方式產(chǎn)生可見(jiàn)光或不可見(jiàn)光的一種器件，構(gòu)造復(fù)雜，技術(shù)壁壘較高，是由大量光學(xué)材料和元器件組成的綜合系統(tǒng)。利用砷化鎵電子遷移率高、光電性能好的特點(diǎn)，使用砷化鎵襯底制造的紅外激光器、傳感器具備高功率密度、低能耗、抗高溫、高發(fā)光效率、高擊穿電壓等特點(diǎn)，可用于人工智能、無(wú)人駕駛等應(yīng)用領(lǐng)域。根據(jù) Yole 預(yù)測(cè)，激光器是砷化鎵襯底未來(lái)五年最大的應(yīng)用增長(zhǎng)點(diǎn)之一。預(yù)計(jì)到2025年，全球激光器砷化鎵襯底（折合二英寸）的市場(chǎng)銷(xiāo)量將從2019年的106.2萬(wàn)片增長(zhǎng)至330.3萬(wàn)片，年復(fù)合增長(zhǎng)率為20.82%；預(yù)計(jì)到2025年，全球激光器砷化鎵襯底市場(chǎng)容量將達(dá)到 6,100 萬(wàn)美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率為 16.82%。據(jù)YOLE數(shù)據(jù)分析，激光器器件銷(xiāo)售與市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)如下：
圖七、2019-2025 年全球激光器器件砷化鎵襯底預(yù)計(jì)銷(xiāo)量和市場(chǎng)規(guī)模
注：圖片來(lái)源于北京通美招股書(shū)
在具體應(yīng)用方面，未來(lái)五年激光器砷化鎵襯底的需求增長(zhǎng)主要由 VCSEL 的需求拉動(dòng)。VCSEL是一種垂直于襯底面射出激光的半導(dǎo)體激光器，在應(yīng)用場(chǎng)景中，常常在襯底多方向同時(shí)排列多個(gè)激光器，從而形成并行光源，用于面容識(shí)別和全身識(shí)別，目前已在智能手機(jī)中得到了廣泛應(yīng)用。
VCSEL作為3D傳感技術(shù)的基礎(chǔ)傳感器，隨著 5G 通信技術(shù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)受益于物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)的廣泛應(yīng)用，VCSEL 的市場(chǎng)規(guī)模不斷增長(zhǎng)，特別是以 VCSEL為****源的 3D 立體照相機(jī)將會(huì)迎來(lái)高速發(fā)展期，3D 相機(jī)是一種能夠記錄立體信息并在圖像中顯示的照相機(jī)，可以記錄物體縱向尺寸、縱向位置以及縱向移動(dòng)軌跡等。此外，VCSEL作為 3D 傳感器，在生物識(shí)別、智慧駕駛、機(jī)器人、智能家居、智慧電視、智能安防、3D建模、人臉識(shí)別和VR/AR等新興領(lǐng)域擁有廣泛的應(yīng)用前景。
根據(jù)Yole預(yù)測(cè)，隨著3D傳感技術(shù)在各領(lǐng)域的深度應(yīng)用，VCSEL市場(chǎng)將持續(xù)快速發(fā)展，繼而加大砷化鎵襯底的需求。2019年，全球VCSEL器件砷化鎵襯底（折合二英寸）銷(xiāo)量約為93.89萬(wàn)片，預(yù)計(jì)到 2025年將增長(zhǎng)至299.32萬(wàn)片，年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到21.32%；2019年全球 VCSEL 器件砷化鎵襯底襯底市場(chǎng)規(guī)模約為2,100萬(wàn)美元，預(yù)計(jì)到 2025 年全球砷化鎵襯底市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò)5,600萬(wàn)美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率為17.76%。據(jù)YOLE數(shù)據(jù)分析，VCSEL市場(chǎng)砷化鎵器件銷(xiāo)售與市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)如下：
圖八、VCSEL市場(chǎng)砷化鎵器件銷(xiāo)售與市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)
注：圖片來(lái)源于北京通美招股書(shū)
半導(dǎo)體激光行業(yè)，目前的企業(yè)還很少，一般涉獵半導(dǎo)體激光行業(yè)的公司都是始終專(zhuān)注于半導(dǎo)體激光芯片的研發(fā)、設(shè)計(jì)及制造，它們的部分產(chǎn)品包括高功率單管系列產(chǎn)品、高功率巴條系列產(chǎn)品、高效率VCSEL系列產(chǎn)品及光通信芯片系列產(chǎn)品等，逐步實(shí)現(xiàn)高功率半導(dǎo)體激光芯片的國(guó)產(chǎn)化。目前多家公司緊跟下游市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)，不斷開(kāi)發(fā)具有領(lǐng)先性的產(chǎn)品、創(chuàng)新優(yōu)化生產(chǎn)制造工藝、布局建設(shè)生產(chǎn)線，已形成由半導(dǎo)體激光芯片、器件、模塊及直接半導(dǎo)體激光器構(gòu)成的四大類(lèi)、多系列產(chǎn)品矩陣，為半導(dǎo)體激光行業(yè)的垂直產(chǎn)業(yè)鏈公司。其中VCSEL系列產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于光纖激光器、固體激光器及超快激光器等光泵浦激光器泵浦源、3D傳感與攝像、人臉識(shí)別與生物傳感等領(lǐng)域。
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