帶您認識您不知道的半導體晶圓（五）今日半導體分享砷化鎵晶圓
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砷化鎵什麼一個東西？？？
砷化鎵（gallium arsenide），化學式 GaAs。
黑灰色固體，熔點1238℃。
它在600℃以下，能在空氣中穩定存在，並且不被非氧化性的酸侵蝕。
砷化鎵優勢有哪些？？？
砷化鎵是一種重要的半導體材料。
屬Ⅲ－Ⅴ族化合物半導體。
屬閃鋅礦型晶格結構，晶格常數5.65×10-10m，熔點1237℃，禁帶寬度1.4電子伏。
砷化鎵於1964年進入實用階段。
砷化鎵可以製成電阻率比矽、鍺高3個數量級以上的半絕緣高阻材料,用來製作集成電路襯底、紅外探測器、γ光子探測器等。
由於其電子遷移率比矽大5～6倍，故在製作微波器件和高速數字電路方面得到重要應用。
用砷化鎵製成的半導體器件具有高頻、高溫、低溫性能好、噪聲小、抗輻射能力強等優點。
此外，還可以用於製作轉移器件──體效應器件。
砷化鎵是半導體材料中,兼具多方面優點的材料,但用它製作的晶體三極體的放大倍數小，導熱性差，不適宜製作大功率器件。
雖然砷化鎵具有優越的性能，但由於它在高溫下分解，故要生產理想化學配比的高純的單晶材料，技術上要求比較高。
中國掌握「半導體貴族」砷化鎵單晶生產技術情況？中國努力中
作為第二代半導體，砷化鎵單晶因其價格昂貴而素有「半導體貴族」之稱。
2001年7月31日，中國科學家宣布已掌握一種生產這種材料的新技術，使中國成為繼日本、德國之後掌握這一技術的又一國家。
北京有色金屬研究總院宣布，國內成功拉制出了第一根直徑4英寸的VCZ半絕緣砷化鎵單晶。
據專家介紹，砷化鎵可在一塊晶片上同時處理光電數據，因而被廣泛應用於遙控、手機、DVD計算機外設、照明等諸多光電子領域。
另外，因其電子遷移率比矽高6倍，砷化鎵成為超高速、超高頻器件和集成電路的必需品。
它還被廣泛使用於軍事領域，是雷射制導飛彈的重要材料，曾在海灣戰爭中大顯神威，贏得「砷化鎵打敗鋼鐵」的美名。
據悉，砷化鎵單晶片的價格大約相當於同尺寸矽單晶片的20至30倍。
儘管價格不菲，目前國際上砷化鎵半導體的年銷售額仍在10億美元以上。
在「十五」計劃中，我國將實現該產品的產業化，以占據國際市場。
[1]
砷化鎵生長工藝難不難？？不用說肯定難
主流的工業化砷化鎵生長工藝包括：直拉法（Cz法）、水平布里其曼法（HB）、垂直布里其曼法（VB法）以及垂直梯度凝固法（VGF法）等。
以上方法各有優劣，除了實際工藝製備的方法，另外一種就是通過計算機來實現砷化鎵的晶體生長數值模擬，如利用FEMAG/VB能模擬VB、VGF法生長工藝，利用FEMAG/Cz能模擬CZ法生長工藝；國內北京有色金屬研究總院在晶體生長過程中的微缺陷[2]
、以及熔體和氣流流動對晶體生長過程的影響作出了有效的計算模擬[3] ，對晶體生長的製備起到了技術指導的作用。
砷化鎵未來主要大規模發展方向？？5G手機還有軍工都有他的份
砷化鎵半導體具備高工作頻率、電子遷移速率、抗天然輻射及耗電量小等特性在微波通訊領域大規模應用。
一方面，隨著智慧型手機進入4G時代，以至於後面的5G及物聯網的崛起，多模多頻的砷化鎵微波功率器件需求量較3G時代將大幅提升。
根據我們估算，2014年度全球手機砷化鎵功率元件需求量接近120億顆，國內手機市場砷化鎵元件需求量超過35億顆。
4G及未來的5G通訊已成為砷化鎵微波半導體重要的成長驅動力。
另一方面，無線通訊的拉動下催生砷化鎵半導體由原先的國外IDM群雄割據發展到現在的代工經營模式，專業的砷化鎵半導體晶圓製造出現。
之前就是因為你--砷化鎵惹出了那檔子事（這裡面水很深，信者有，不信則無）
說的是：陸收買間諜竊穩懋機密 7工程師涉案，（中央社記者邱俊欽桃園6日電）楊姓等7名本國籍人士涉嫌竊取穩懋半導體公司商業機密，並準備在下周離境前往大陸。
涉案人依約定，可收取新台幣200萬簽約金與5倍年薪的鉅額酬勞。
楊姓等7名工程師涉嫌竊取上市公司「穩懋半導體股份有限公司」營業秘密，經過桃園地檢署企業犯罪專組主任檢察官張書華、檢察官陳品潔指揮偵辦下，破獲整起重大商業間諜案。
檢方查出，44歲的本國籍楊姓男子任職大陸地區半導體科技公司工程師，透過獵人頭公司，密集利用不同管道並開出優渥條件，接觸穩懋公司離職及現職工程師等多人。
其中楊姓等3人準備先行在下周一離境，預計交付商業機密給大陸接頭人士，檢方今天提前收網，兵分多路在苗栗、新竹等地一舉逮捕涉案人，並依違反營業秘密法移送檢方偵辦。
檢方在調查中發現，楊姓男子開出誘人條件吸引涉案人，包括200萬元簽約金， 每人5倍的年薪，要求涉案人竊取公司機密。
檢方指出，穩懋公司為全球六寸砷化鎵及氮化鎵半導體晶圓代工龍頭，生產量全球排名第一，產品廣泛運用在手機、無線電、軍用高功率雷達通訊設備，而楊姓男子還計畫帶領其他多位涉案人前往大陸的科技公司任職，明顯觸犯營業秘密所有人之營業秘密泄漏交付罪嫌。
這一段，其實我有些不太認可台灣方面觀點，我覺得這裡面有政治成分，說不定是故意而為之，所以我說水很深，大家就當看看，這也不是小編能胡亂說；（幾年前舊事，大家知道就這麼回事就行）
國外非常看重這個領域未來發展！
美國POET Technologies 預言，砷化鎵(Gallium arsenide，GaAs)很快就會取代矽，成為高性能晶片的材料選擇;而曾任職于貝爾實驗室(Bell Labs)的該公司共同創辦人暨首席科學家Geoff Taylor表示，上述論點自1980年代就已經被提出。
Taylor指出，相較於矽，砷化鎵能在提升電晶體性能的同時，整合光學電路的功能;這些特質能帶來更高的性能以及創新的晶片架構，並因此讓摩爾定律(Moore"s
Law)壽命無限延長。
「數位邏輯矽晶片在4GHz就會遇到瓶頸，但我們今日已經能製造小型的砷化鎵類比電路，切換頻率達到100GHz，而且在不遠的將來還能進一步達到400GHz;」他在接受EETimes美國版編輯訪問時表示：「只要加上POET打造的光學發射器以及探測器做為晶片上光學互連。
」
在同一顆晶片上結合標準邏輯單元以及光學元件，是設計方法上的一大改變，POET是取得了EDA供應商Synopsys的協助，才成功設計出光電混合元件;舉例來說，光學迴路能實現超低抖動振蕩器，且頻寬高於矽材料。
POET也打算以多波長方式，打造超精密的類比數位轉換器，透過將電壓編碼為波長，用更低功耗以及更少元件產出更高解析度以及位元率。
POET的砷化銦鎵環形振蕩器號稱比矽振蕩器更精確且頻率更高
其他砷化鎵這類三五族半導體(III-V)材料超越矽的優勢，包括較低的操作電壓──藉由應變量子阱(strained quantum wells)達到最低0.3V，電子遷移率12,000 cm2/ (V·s)──POET表示，如此能將三五族晶片功耗降低十倍以上。
不過目前砷化鎵晶圓片比矽晶元的成本高出許多;對此Taylor表示，新一代矽晶片採用的FD-SOI製程，成本其實與砷化鎵差不多。
大多數三五族元素，包括銦(In)、鎵(Ga)、砷(As)以及磷 (phosphorous，P)，都有比矽更高的電子遷移率，但在製造上也有特定的問題使得它們無法取代矽材料;換句話說，缺乏數位電路的強化元件，以及缺乏互補設計的p通道電晶體。
在打造能在上面同時製作出n型與p型電晶體的基板之前，POET已經發現了一個方法，能在砷化銦鎵以及砷化鎵晶圓片上長出連續層(successive
layer)，每一層都有一點銦。
p型電晶體最終可在應變砷化銦鎵量子阱中，以大約1900 cm2/(V·s)的電洞遷移率被製作出來，而n型電晶體的遷移率更高、達8500 cm2/ (V·s);至於矽的遷移率僅1200 cm2/ (V·s)。
POET期望能將n型電晶體的遷移率提升至12,000，以實現超高數位邏輯率的互補HFET。
POET技術開發歷程
在任職于貝爾實驗室時所開發的三五族晶片技術專利過期之前數年，Taylor就轉往康乃狄克大學(University of Connecticut)工作，後來他也在那裡重新開始進行貝爾實驗室的研發題目，不過將內容由單個n通道的電/光混合技術，轉為雙通道電/光混合技術的開發，期望能在未來藉由互補性的電/光電路，讓摩爾定律壽命無限制延長。
Taylor將該技術命名為平面光電技術(Planar Opto Electronic Technology，POET)，康乃狄克大學已經取得專利，是POET的獨家授權者。
POET公司技術長Daniel DeSimone表示：「我們的平面電子技術PET，是超越過去以類NMOS電路架構為基礎的砷化鎵技術之一大進展，因為我們擁有可整合的平面式光學與電子元件能互補，因此能用
CMOS製程。
」
POET的電晶體通道是砷化銦鎵材料，如果將鎵去掉(也就是純塊狀砷化銦)，理論上能達到 40,000 cm2/ (V·s)的遷移率。
不過POET表示，那是無法達成的、只能儘可能接近;到目前為止，該公司已經將電晶體通道的銦成分提升至53%，並有信心可進一步提升至80%。
POET採用的砷化鎵基板，能讓光學與電子元件排列在一起，並讓電晶體與光學互連在同一顆晶片上共存
「我們是以一種愚弄大自然的獨特變性方法，藉由改變晶格常數(lattice constant)來達成上述結果;」Tylor表示：「首先，我們以砷化鎵為基底，在其上堆疊一層又一層1微米(micron)厚的砷化銦鎵應變層，直到產生與磷化銦(InP)晶格常數相對應的天然量子阱。
以上的成分控制室是以分子束磊晶(Molecular-beam epitaxy，MBE)技術來進行。
」
POET已經與一家第三方晶圓代工業者簽署合作協議，預計在今年稍晚以0.1微米製程實際驗證其技術，並在2015年邁向40奈米製程節點;這聽起來似乎落後已經來到20奈米節點、甚至14奈米節點的矽技術許多，不過POET強調這種比較是不公平的，其40奈米製程元件的性能應該要與14奈米或10奈米矽晶片來比較。
DeSimone表示：「我們的40奈米砷化鎵元件在速度上領先矽晶片三個製程世代，在功耗上則領先四個世代，而整合密度是差不多的;因此40奈米製程的砷化鎵元件，應該要在速度上與14奈米矽晶片比較，在功耗上則是與10奈米矽晶片比較。
」
中國目前開始發力5G市場，未來就看你行不行了？？
砷化鎵半導體：射頻通訊的核心，百億美元大市場
1、無線通訊推動砷化鎵半導體市場快速發展
砷化鎵主要用於微波功率器件，即工作在微波波段（頻率300-300000兆赫之間）的半導體器件。
由於Si在物理特性上的先天限制，僅能應用在1GHz以下的頻率。
然而近年來由於無線高頻通訊產品迅速發展，使得具備高工作頻率、電子遷移速率、抗天然輻射及耗電量小等特性的砷化鎵脫穎而出，在微波通訊領域大規模應用。
手機通訊領域
在手機無線網絡中，系統中的無線射頻模組必定含有兩個關鍵的砷化鎵半導體零組件：以HBT設計的射頻功率放大器（RF PA）和以pHEMT設計的射頻開關器。
傳統2G手機中，一般需要2個功率放大器（PA）；另外2G手機只有一個頻段，噪聲要求低，使用1個射頻開關器。
到了3G時代，一部手機平均使用4顆PA，3.5G平均使用6顆PA。
使用2個射頻開關器。
2014年，智慧型手機正式進入4G時代，平均使用7顆PA，4個射頻開關器。
4G的射頻通信需要用到5模13頻，多模多頻的砷化鎵前端放大器模塊及在「頻」和「模」之間切換的射頻開關器不可或缺。
目前，單部4G智慧型手機僅達到標準的通信效果，就至少需要5顆以上的砷化鎵功率放大器，此外智慧型手機中的衛星定位功能也需要用到1顆功率放大器，4G智慧型手機支持的無線區域網通信（WLAN）也需要至少1顆功率放大器。
下一代5G技術，其傳輸速度將是現行4G LTE的100倍，目前只有砷化鎵功率放大器可以實現如此快速的資料傳輸。
4G及未來的5G通訊已成為砷化鎵微波晶片重要的成長動能之一。
在PA領域，一直存在矽基CMOS PA與砷化鎵PA之爭。
2013年上半年高通推出CMOS功率放大器解決方案開始打入低階智慧型手機供應鏈，但是由於矽材料物理性能限制無法應用於高頻領域。
因此雖然矽材料較砷化鎵有成本優勢，但是高階市場並不會受到影響，砷化鎵材料在功率放大器市場仍由85%的市占率。
2014年全球智慧型手機銷量達12.28億隻，中國智慧型手機出貨量達4.02億支。
根據我們粗略估算，2014年度全球手機砷化鎵功率元件需求量接近120億顆，國內手機市場砷化鎵元件需求量超過35億顆。
未來隨著4G手機滲透率的不斷提升，手機用砷化鎵元件還將不斷增長。
圖1：砷化鎵PA市場規模估算 數據來源：IDC，TrendForce
l其它領域
由於砷化鎵高頻傳輸的特性，除了在手機應用中飛速成長外，平板電腦、筆記本電腦中搭載的WiFi模組、固定網絡無線傳輸，以及光纖通訊、衛星通訊、點對點微波通訊、有線電視、汽車導航系統、汽車防撞系統等，也分別採用1~4顆數量不等的功率放大器，這都是推動砷化鎵成長的強大動力。
根據Strategy Analytics調查數據，2013年全球砷化鎵微波功率半導體市場總產值約為64.7億美元，較2012年59.3億美元成長11%。
圖2：砷化鎵微波功率半導體各應用領域占比 數據來源：Triquint圖3：砷化鎵微波功率半導體市場規模 數據來源：strategy analytics
2、國外IDM 廠商搶占砷化鎵半導體市場先機
與矽材料大規模集成電路製造不同，砷化鎵微波功率半導體多為分立器件，製造工藝相對簡單。
另一方面，由於材料性能差異大，晶圓製造的設備及工藝與矽有極大的不同，因此我們一般所熟悉的半導體晶圓製造廠商專注於矽晶圓製造，並不涉及砷化鎵晶圓製造領域。
砷化鎵半導體擁有自己獨立的全套產業鏈。
砷化鎵半導體的製造流程與矽相似，從上游材料、IC設計、晶圓代工到封裝測試，完成砷化鎵半導體製造的全部產業鏈。
圖4：砷化鎵（GaAs）半導體產業鏈
圖5 ：2013年砷化鎵半導體製造商市場份額 數據來源：strategyanalytics
圖6 ：全球砷化鎵半導體產業鏈主要廠商
砷化鎵半導體產業參與者多為國外IDM廠商。
2013年砷化鎵市場總產值64.7億美元中，占比前5的廠商中除了穩懋外，均為集IC設計、晶圓代工、封裝測試為一體的IDM廠商。
目前全球砷化鎵半導體市場份額最大的Skyworks，占比24%，全球前10大手機廠家都是它的客戶。
占比13.6%和12.3%的TriQuint與RFMD現已合併成為Qorvo，集晶圓代工與IDM模式為一體。
砷化鎵材料現在正處於發展階段，目前全球砷化鎵微波功率半導體領域參與者數量遠遠小於矽，市場分布較為均衡。
IDM廠商毛利率達40%，RFMD（Qorvo）為原諾基亞PA供貨商，毛利率低於同行業平均水平。
圖7：2014年砷化鎵半導體主要廠商營收
圖8 ：2014年砷化鎵半導體主要廠商毛利率
3、砷化鎵半導體代工經營模式出現
無線通訊的普及催生砷化鎵代工經營模式。
在無線通訊的拉動下砷化鎵微波功率半導體需求量快速增長，考慮到半導體製造需要巨額的研發和設備投入，產品價格下降快等因素。
而砷化鎵專業代工擁有較短的設計周期，成本較低且能夠快速導入市場，未來在砷化鎵整體產業擁有競爭力，砷化鎵半導體垂直分工的經營模式出現。
儘管目前砷化鎵半導體主要由美國三家IDM廠商（Skyworks，TriQuint與RFMD合併而成的Qorvo，Avago）占據，但近年來，晶圓代工在整個市場中的占比不斷提高。
其中台灣的穩懋是砷化鎵晶圓代工領域龍頭，主要客戶為Avago、Murata、Skyworks、RDA、Anadgics等。
圖9：2013年砷化鎵外延片市場份額 數據來源：strategyanalytics
圖10：2013年砷化鎵晶圓代工市場份額 數據來源：strategyanalytics
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