有理有據：AI時代的砷化鎵半導體市場趨勢淺析

發布時間 | 2024-08-30 10:39 分類 | 粉體應用技術點擊量 | 572

導讀：目前，砷化鎵的商業化制備主要路線是垂直梯度凍結法（Vertical Gradient Freeze），即VGF法——利用溫度梯度和冷卻控制，使熔化的砷和鎵在垂直方向上逐漸結晶，形成單晶砷化鎵，不僅能夠生長出較...

隨著上世紀70年代晶體生長技術飛躍發展，砷化鎵（GaAs）作為第二代半導體材料出道即巔峰，并以其優異特性在近60年中長期保持競爭力——具體包括：最初作為一種直接帶隙半導體（能夠直接將電子躍遷產生的能量釋放為光子），在太陽能電池中得到應用；還因其禁帶寬度（約1.42eV）比硅寬，電子遷移率（8500cm2/V·s）遠高于硅，還能抵抗高能粒子的輻射損傷，在空間、軍事和高功率電子等廣泛領域有突出表現；2010年隨著LED以及智能手機的普及，再到2017年iPhoneX首次引入了VCSEL激光器（垂直腔面發射激光器）用于面容識別，砷化鎵應用場景拓寬到消費電子市場，進入規模化應用階段。

砷化鎵材料

如今，正處于新能源替代傳統能源的風口浪尖，技術革命的腳步也已經走到人工智能這扇門前，砷化鎵還能繼續站在先進前沿材料的隊伍中迸發耀眼光芒嗎？

一、激光器

激光器是光纖通信和光互連系統的核心組件。隨著AI模型的復雜度和數據量的增加，傳統電子互連在速度和能效上受到限制。利用激光器進行的光互連可以實現高速、低延遲的數據傳輸，極大地提高數據中心和AI處理單元之間的通信效率。在自動駕駛、機器人和智能家居中，激光器用于激光雷達系統（LiDAR），為AI系統提供高精度高分辨率的3D環境圖像數據。

激光器

砷化鎵的直接帶隙特征決定了它在光電應用中的天然優勢。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、高發光效率、高擊穿電壓等特點，也使其在人工智能、無人駕駛等應用中占據先機。具體可以參考以下收集的市場調研數據：

根據Yole預測，激光器是砷化鎵襯底近五年最大的應用增長點之一。預計到2025年，全球激光器砷化鎵襯底（折合二英寸）的市場銷量將從2019年的106.2萬片增長至330.3萬片，年復合增長率為20.82%；預計到2025年，全球激光器砷化鎵襯底市場容量將達到6,100萬美元，年復合增長率為16.82%。

2019-2025年全球激光器器件砷化鎵襯底預計銷量和市場規模

在具體應用方面，近五年激光器砷化鎵襯底的需求增長主要由VCSEL的需求拉動。VCSEL是一種垂直于襯底面射出激光的半導體激光器，在應用場景中，常常在襯底多方向同時排列多個激光器，從而形成并行光源，用于面容識別和全身識別。

VCSEL作為3D傳感技術的基礎傳感器，隨著5G通信技術和人工智能技術的發展，同時受益于物聯網傳感技術的廣泛應用，VCSEL的市場規模不斷增長，特別是以VCSEL為發射源的3D立體照相機將會迎來高速發展期，3D相機是一種能夠記錄立體信息并在圖像中顯示的照相機，可以記錄物體縱向尺寸、縱向位置以及縱向移動軌跡等。此外，VCSEL作為3D傳感器，在生物識別、智慧駕駛、機器人、智能家居、智慧電視、智能安防、3D建模、人臉識別和VR/AR等新興領域擁有廣泛的應用前景。

根據Yole預測，隨著3D傳感技術在各領域的深度應用，VCSEL市場將持續快速發展，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）銷量約為93.89萬片，預計到2025年將增長至299.32萬片，年復合增長率達到21.32%；2019年全球VCSEL器件砷化鎵襯底市場規模約為2,100萬美元，預計到2025年全球砷化鎵襯底市場規模將超過5,600萬美元，年復合增長率為17.76%。

2019-2025年全球VCSEL器件砷化鎵襯底預計銷量和市場規模

二、通信照明

射頻器件：由于具有高電子遷移率和高飽和電子速率的顯著優勢，因此砷化鎵一直是制造射頻功率放大器的主流襯底材料之一。5G時代對功率、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用于長距離、長通信時間的高頻電路中。伴隨5G基站建設以及5G手機的推廣將使砷化鎵基射頻器件穩步增長。

2019-2025年全球射頻器件砷化鎵襯底預計銷售量和市場規模

根據Yole預測，2025年全球射頻器件砷化鎵襯底（折合二英寸）市場銷量將超過965.70萬片，2019-2025年年均復合增長率為6.32%。2025年全球射頻器件砷化鎵襯底市場規模將超過9,800萬美元，2019-2025年年均復合增長率為5.03%。

LED器件：其高效、低功耗、長壽命等優點，廣泛應用于照明、顯示、信號指示等領域。具體原理是當電流通過LED時，電子從半導體材料的導帶躍遷到價帶，與空穴復合，釋放出能量以光子的形式，不同材料的半導體產生不同波長的光，從而形成不同顏色的LED，例如，紅光LED通常由砷化鎵（GaAs）制成，摻入磷形成砷磷化鎵（GaAsP）則可發出橙光。此外，砷化鎵在高效紅外發射的應用中也穩如泰山，幾乎不可替代。

2019-2025 年全球 LED 器件砷化鎵襯底預計銷量和市場規模

根據 Yole 預測，2019 年全球 LED 器件砷化鎵襯底市場（折合二英寸）銷量約為 846.9 萬片，預計到 2025 年全球 LED 器件砷化鎵襯底（折合二英寸）市場銷量將超過 1,300 萬片，2019 年全球 LED 器件砷化鎵襯底市場規模約為 6,800 萬美元，預計到 2025 年全球 LED 器件砷化鎵襯底市場規模將超過 9600 萬美元，相較 2019 年將增加接近 3000 萬美元的市場規模。

小結

與磷化銦一樣，砷化鎵在半導體材料的分類中屬于III-V 族化合物半導體材料，除了同樣具備電子遷移率高、光電性能好的特點，而且就產業化角度，也是僅次于硅之外最成熟的半導體材料。目前，砷化鎵的商業化制備主要路線是垂直梯度凍結法（Vertical Gradient Freeze），即VGF法——利用溫度梯度和冷卻控制，使熔化的砷和鎵在垂直方向上逐漸結晶，形成單晶砷化鎵，不僅能夠生長出較大的單晶，而且晶體質量也滿足絕大多數應用需求。

2021年全球砷化鎵襯底市場競爭格局