砷化鎵GaAs在光電和射頻領(lǐng)域中的應(yīng)用與發(fā)展

作為第二代半導(dǎo)體的“扛把子”，砷化鎵（GaAs）具有高頻率、高電子遷移率、高輸出功率、高線性以及低噪聲等特點(diǎn)，在光電和射頻領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。

砷化鎵是直接帶隙材料，導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂在K空間（K空間即傅里葉變化的頻率空間）同一位置，電子吸收能量后可以直接躍遷進(jìn)入激發(fā)態(tài)，無需聲子參與；也可以直接從導(dǎo)帶下落到價(jià)帶，因此載流子壽命很短，電子和空穴直接復(fù)合可以發(fā)光。

所以砷化鎵可以用來制作LED（發(fā)光二極管），主要是黃光、紅光和紅外光。氮化鎵禁帶更寬，主要用來發(fā)藍(lán)光、綠光和紫外光。

砷化鎵是發(fā)光材料，加上泵浦源和諧振腔，即可選頻制成激光器。650nm-1300nm波長的低功率激光器都可以用砷化鎵材料設(shè)計(jì)，典型代表是VCSEL（垂直腔表面發(fā)射激光器），廣泛應(yīng)用在短距離數(shù)據(jù)中心光纖通信，TOF人臉識別等。

GaAs 的電子遷移率是硅的五倍，HBT的Ft高達(dá)45GHz，0.25um E mode pHEMT的Ft更是高達(dá)70GHz，因此GaAs非常適合設(shè)計(jì)Sub-7GHz的射頻器件。蜂窩和WLAN PA常用GaAs HBT設(shè)計(jì)；開關(guān)、LNA等則采用pHEMT工藝。

除了LED、VCSEL、RF Device之外，GaAs憑借其優(yōu)異性能在光電探測、調(diào)制驅(qū)動、衛(wèi)星電視等領(lǐng)域也有大量應(yīng)用，但主要還是靠“三巨頭“出貨。

GaAs一年出貨約260萬片（折合6寸），LED約占四成，RF Device約占三成， VCSEL約占8%。從單片價(jià)格來看，則是VCSEL>RF Device>LED，因此從銷售額角度統(tǒng)計(jì)可能會是另一種結(jié)論。

不同的產(chǎn)品需要用不同的外延片加工。整個(gè)砷化鎵產(chǎn)業(yè)鏈可以細(xì)分為襯底、外延、晶圓代工、芯片設(shè)計(jì)四個(gè)環(huán)節(jié)。至于封測，LGA/QFN都可以做，和硅基產(chǎn)品沒明顯區(qū)別。

襯底（Substrate）是產(chǎn)業(yè)鏈的源頭，襯底廠采購金屬鎵和高純砷后，采用 LEC 法（液封直拉法，F(xiàn)reiberger采用）、 HB 法（水平布里奇曼法）、 VB 法（垂直布里奇曼法，Sumitomo采用）或 VGF 法（垂直梯度凝固法，AXT和Freiberger采用）等，生長出砷化鎵晶體，切片研磨拋光后賣給外延廠。主流的砷化鎵襯底廠主要有德國費(fèi)里伯格（Freiberger）、日本住友電氣（Sumitomo）、北京通美（AXT）、英國IQE、日本同和（Dowa）、云南鍺業(yè)等。臺灣企業(yè)一般翻譯為基板。

外延廠（Epi）采購襯底后，采用MOCVD法（金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積，主流方案）或MBE法（分子束外延）在襯底上一層一層地長出摻雜和厚度都不同的薄膜，故而臺灣企業(yè)翻譯為磊晶（磊晶圓薄膜），非常直觀形象。大陸企業(yè)翻譯為“外延”，更注重“意”和“神”，頗有嚴(yán)復(fù)先生“信達(dá)雅”的遺風(fēng)。主流的外延片廠主要有英國IQE、臺灣全新光電、日本住友化學(xué)、臺灣英特磊等。臺灣聯(lián)亞光電專注光電領(lǐng)域。

晶圓代工廠（Fab）與芯片廠和終端廠關(guān)系較緊密，也更為人所熟知。晶圓廠采購?fù)庋悠?，按照芯片廠的設(shè)計(jì)進(jìn)行光刻，加工出所需要的電路。根據(jù)所用襯底和工序的不同，迭代出不同的工藝。穩(wěn)懋占據(jù)砷化鎵代工公開市場的七成以上份額，優(yōu)異的可靠性和一致性獲得幾乎所有芯片廠和終端廠的認(rèn)可，三座fab均通過IATF16949車規(guī)認(rèn)證。宏捷科的工藝來自美企射頻大廠Skyworks，除了給Skyworks代工之外，也接受其他芯片設(shè)計(jì)廠的訂單。環(huán)宇通訊運(yùn)營在美國，4寸線成本較高，運(yùn)營吃力，目前主要以技術(shù)授權(quán)形式參與產(chǎn)業(yè)鏈。三安的技術(shù)授權(quán)就來自GCS，早年更是準(zhǔn)備收購GCS，被美國外國投資委員會否掉后轉(zhuǎn)而合資成立公司，現(xiàn)已獨(dú)立代工砷化鎵，在LED領(lǐng)域份額很高。承芯的技術(shù)授權(quán)也來自GCS，當(dāng)前以VCSEL為主。聯(lián)穎來自聯(lián)電的Fab 6，除了GaAs之外還代工CMOS/BCD/SAW等另類工藝。福聯(lián)的技術(shù)授權(quán)來自聯(lián)穎，雖成立較晚，但HBT和0.25um E/D Mode pHEMT工藝均已成熟。立昂東芯自主研發(fā)了GaAs工藝，已獲得不少芯片廠的訂單，正在積極擴(kuò)產(chǎn)。海威華芯技術(shù)來自中電29所，專注于pHEMT工藝，HBT工藝份額較少。

產(chǎn)業(yè)鏈接總結(jié)如下。

GaAs主要有HBT和pHEMT兩種技術(shù)。HBT是縱向器件，對光刻精度要求不高，一般為1-3um，將發(fā)射極改用InGaP材料可以形成異質(zhì)結(jié)，從而使發(fā)射區(qū)輕摻雜，基區(qū)重?fù)诫s，提高載流子注入效率，減小基極電阻，發(fā)射結(jié)電容，提高震蕩頻率，增加厄利電壓。pHEMT是橫向器件，器件性能受柵寬制約，需要更高的光刻精度，一般為0.5-0.15um，因?yàn)槌杀据^高，所以在PA的應(yīng)用不如HBT多，主要用在LNA和開關(guān)上。

（能堅(jiān)持看到這里的讀者絕對是對技術(shù)、對產(chǎn)業(yè)都有濃厚的興趣，能靜下心來研究，接下來才是本文最有價(jià)值的內(nèi)容。）

因?yàn)閜HEMT工藝吃光刻，成本較高，因此在射頻領(lǐng)域HBT是絕對的王者。射頻PA基本都采用InGaP/GaAs HBT工藝加工，16層光刻，有濕法刻蝕和干法刻蝕之分。

頭部的三家芯片廠都是IDM模式。Skyworks在美國有兩座6寸廠，并會在穩(wěn)懋和宏捷科代工。Qorvo有多座4/6/8寸晶圓廠，產(chǎn)能充足，自給自足。Broadcom有兩座6寸廠，仍會找穩(wěn)懋代工。

高通是fabless模式，RF360設(shè)計(jì)的MMMBPA和LPAMiD/LPAMiF基本都在穩(wěn)懋生產(chǎn)。村田的LPAMiD除了穩(wěn)懋代工之外，也會和Skyworks合作。海思在制裁之前陪著三安打磨工藝。唯捷創(chuàng)芯以PA業(yè)務(wù)為主，MMMB PA、TXM、LPAMiF、Wi-Fi FEM主要在穩(wěn)懋生產(chǎn)，為了擴(kuò)產(chǎn)和降本也會去宏捷科。飛驤和穩(wěn)懋有過一段不愉快的往事，MMMB PA、TXM、LPAMiF、Wi-Fi FEM現(xiàn)在主要在三安生產(chǎn)，在宏捷科和聯(lián)穎也有擴(kuò)產(chǎn)。昂瑞微的Phase 5NMMMB PA可謂一絕，另有MMMB PA、TXM、LPAMiF產(chǎn)品，主要在穩(wěn)懋、聯(lián)穎和立昂生產(chǎn)?；壑俏⒁訳HB LPAMiF一戰(zhàn)成名，MMMB PA和TXM等主要在穩(wěn)懋代工，與三安也開始合作。銳石后發(fā)先至，MMMB PA、TXM、LPAMiF、Wi-Fi FEM布局較快，主要在穩(wěn)懋、三安和宏捷科代工。卓勝以接收模組和分立器件切入，Wi-FiFEM和LPAMiF進(jìn)展神速，主要在福聯(lián)和聯(lián)穎生產(chǎn)。

在需求側(cè)，以國內(nèi)手機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)模塊和網(wǎng)通路由等產(chǎn)品為基礎(chǔ)，die size按照主流型號均值估算，射頻芯片國內(nèi)月需求約25,000片6寸等效GaAs HBT晶圓?？紤]海外蘋果和三星支持頻段更多，GaAs需求量更大，預(yù)估海外需求約15,000片。Wi-Fi FEM可以采用SiGe設(shè)計(jì)，性能和功耗都很好，對GaAs需求影響不大。因此全球GaAs HBT總需求約40,000片6寸等效晶圓。

這里需要更正公眾的一個(gè)認(rèn)知，射頻不是一個(gè)頻段（Band）用一顆PA，而是一段頻段用一顆PA，常規(guī)做法是0.6-1GHz一顆，1.8-2.2GHz一顆，2.3-2.7GHz一顆，即通常說的低頻（LB），中頻（MB），高頻（HB）。至于新增的n77/78，因?yàn)槭且欢晤l段，覆蓋3.3-4.2GHz，也是一顆PA，n79單獨(dú)一顆。而Wi-Fi則分為2.4G和5G，分別用一顆。根據(jù)設(shè)備支持的MIMO（多入多出）數(shù)量，會適當(dāng)增加PA顆數(shù)。當(dāng)然，在終端看到的時(shí)候，sub-3G的經(jīng)常會集成在一起變成一顆大PA芯片，sub-6g會集成在一起變成一顆大PA芯片。

在供給側(cè)，公開代工廠GaAs總產(chǎn)能約14萬六寸片，GaAs HBT約46,000片足夠滿足全球需求。

另外Skyworks、Qorvo、Broadcom自有工廠也可以生產(chǎn)GaAs HBT，公開代工廠都在大力擴(kuò)廠，未來GaAs HBT很可能出現(xiàn)產(chǎn)能過剩，雖然mini LED和VCSEL需求增長迅速，但體量短期仍無法和射頻PA相比。

審核編輯：郭婷