吕鑫

中国电子科技集团公司第十三研究所 河北石家庄 050051

随着半导体材料不断发展，传统硅半导体由于其自身局限性与摩尔定律的限制，需寻找新的半导体材料[1]。以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）和氮化镓（GaN）等为主的三五族化合物材料具有更大的禁带宽度和电子迁移率等特性，可以满足现代电子技术对高温、高频和抗辐射等条件的新要求。在射频、光电和功率器件应用领域中，三五族化合物扮演着无可替代的角色，成为半导体材料发展的前沿科技。随着5G、新能源汽车、太阳能、节能（如快充）技术的迅速发展，三五族化合物市场会迎来增长。

1 Ⅲ-Ⅴ族化合物组成

Ⅲ-Ⅴ族化合物就是由三族元素（B、Al、Ga、In、Tl）和五族元素（N、P、As、Sb、Bi）结合而成的化合物。化合物半导体分为二元化合物半导体：由两种元素组成；三元化合物半导体：由三种元素组成；多元化合物半导体：由三种及以上元素组成。二元化合物：GaAs、GaP、InP、GaN、GaSb、InAs、InSb等；三元化合物与多元化合物半导体：由III族元素Al、Ga及V族元素As所组成的合金半导体AlxGa1－xAs即是一种三元化合物半导体，如In-GaAs、InGaP；具有AxB1－xCyD1－y形式的四元化合物半导体可由许多二元及三元化合物半导体组成。例如，四元化合物GaxIn1－xAsyP1－y合金半导体是由GaP、InP及GaAs所组成，有InAlGaAs或InGaAsP等等。二元Ⅲ-Ⅴ族化合物中，GaSb、InAs、InSb材料主要用于制作红外光电器件和霍尔器件等，尽管很重要，但相对来说，市场总量较少，发展前景受到限制[2]。GaP材料属于间接带隙半导体，主要用于生产中、低亮度的绿光发光管（LED），这一领域市场比较成熟，竞争十分激烈，并呈现出逐步被GaAs其超高亮度LED取代的趋势，发展的前景不容乐观。

2 主流Ⅲ-Ⅴ族化合物器件技术及产业趋势

2.1 GaAs器件技术与产业

GaAs材料具有很高的电子迁移率、宽禁带、直接带隙，消耗功率低的特性，基于GaAs晶圆的主要应用在射频、光电子（激光器等）、LED、PV四方面。光电子将是.GaAs的应用焦点，GaAs激光器可作为智能手机3D传感、人脸识别、自动/无人驾驶激光雷达的光源。整个GaAs市场将由射频应用为主导向光电子为主要应用趋势发展。2017年GaAs晶圆用量175万片（以6吋计），市场规模为1.7亿美元，预计到2023年GaAs晶圆市场规模达3.88亿美元。2017年，GaAs射频业务占据GaAs晶圆市场份额超过50%。随着手机市场的饱和，GaAs射频市场增长放缓，但GaAs仍是5GSub－6.GHz的主流技术。自2017年以来，GaAs晶圆在光电子（激光器等）应用方面显得尤为突出预计光电子应用的GaAs晶圆出货量在2017-2023年期间的复合年增长率为37%，到2023年将实现1.5亿美元市场规模[3]。

2.2 InP器件技术与产业

基于InP晶圆主要应用是射频、光电子两大领域。InP在军事通信、雷达和辐射测量等性能驱动型利基市场以及自动测试设备上占有重要位置。2018年InP晶圆市场规模达7700万美元，日本Sumitomo Electric、美国AXT占据超80%市场份额。预计InP晶圆出货量在2017-2024年期间的复合年增长率为14%，到2024年将达到1.72亿美元市场规模。数据通信领域的InP晶圆市场有望爆发，2018年其市场规模达2200万美元，预计2017-2024年期间的复合年增长率高达28%，到2024年将实现9560万美元规模。

2.3 GaN器件技术与产业

基于GaN衬底（Bulk GaN、GaN－on－Si、GaN－on－SiC、GaN－on－sapphire）的半导体应用主要有三大类：射频、光电（Photonic、LED）和功率应用。2016年，全球GaN半导体器件市场规模为165亿美元，预计到2023年将达到224.7亿美元，2017年至2023年期间的复合年增长率为4.6%。驱动该市场增长的主要因素包括GaN在消费电子和汽车领域具有广阔的市场潜力；氮化镓材料的宽带隙特性促进了创新应用；GaN在RF功率电子领域的成功应用；以及军事、国防、航空航天应用领域增加对GaN RF半导体器件的采用。通信和国防应用是推动射频GaN市场增长的主要驱动力。

3 结语

GaAs、InP、GaN.三种主流化合物半导体均可应用于射频、光电，GaN还应用于功率半导体，在通信技术、汽车制造等领域属于前沿科技。随着5G、新能源汽车、太阳能、节能（如快充）技术的迅速发展，三五族化合物市场将迎来增长。国内厂商应抓住机会，同时在三五族化合物器件发展过程中应注意协同创新、产学研相结合。