砷化鎵

砷化鎵

砷化鎵(GaAs)為鎵和砷兩種元素所合成的化合物，屬於Ⅲ-Ⅴ族元素化合的化合物，黑灰色固體，熔點1238℃。它在600℃以下，能在空氣中穩定存在，並且不為非氧化性的酸侵蝕。砷化鎵可作半導體材料，其電子遷移率高、介電常數小，能引入深能級雜質、電子有效質量小，能帶結構特殊，可作磊晶片。

III-V族化合物半導體由週期表三族與五族之元素調配組合之化合物，如砷化鎵(GaAs)、砷化銦鎵(InGaAs)、磷化銦鎵(InGaP)等，常用於光電產品及微波通訊產品，如發光二極體(LED)、雷射二極體(Laser Diode)、及高速電晶體元件等。

化合物半導體中，最廣泛應用在通訊產品上的，就是砷化鎵(GaAs)材料，具有高頻、低雜訊、高效率及低耗電等特性，因此多用於光電元件和高頻通訊用元件，可應用在手機、WLAN、WLL、光纖通訊、衛星通訊、LMDS、VSAT等微波通訊上，特別是在手機、無線區域網路(WLAN)更是應用的關鍵零件，手機RF的主要零件─PA(功率放大器) ，就是以砷化鎵IC的效果最好。

砷化鎵產品終端應用比重以手機為最大佔75%，WLAN佔18%。

砷化鎵為一種化合物半導體，化合物半導體磊晶的製程技術主要有三種：LEP、MBE 及MOCVD，而砷化鎵微波磊晶片無線通訊零組件，則包括HBT(Heterojunction bipolar transistor，異質介面雙極性電晶體)、PHEMT(pseudomorphic High Mobility Transistor，砷化銦鎵應變式高電子遷移率電晶體)與MESFET(Metal-Semiconductor Field-Effect Transistor，金屬半導體場效電晶體)、HEMT(高電子遷移率電晶體)等。

─LPE 屬傳統且較簡單的方式，一般應用於發光二極體(LED)的長成上，對於需要精準參雜濃度或較薄磊晶的長成上，LPE 則較難掌控。
─MBE 製程採物理光學方式生產，生產技術較為成熟，良率較容易提升，但生產成本偏高，產業進入門檻低。
─MOCVD製程為化學變化，技術困難度高，但具有成本低，下游產品為HBT，元件尺寸小、功率大，廣泛應用在手機，市場性極被看好。

MOCVD製程的產品以HBT 為主，MBE製程的產品以MESFET、PHEMT 為主，在有線電視的STB、有線電視的介面、光纖及汽車防撞系統，只能使用MESFET、PHEMT；但下一代CDMA 所需的功率放大器則以砷化鎵HBT為主。

MESFET與pHEMT為多載子結構，三極(Gate、Source、Drain)呈水平結構，其中MESFET因結構簡單，多直接用於標準晶片製造中，技術成熟，成本最低，是以往主要結構；pHEMT因具有超高頻與低雜訊等特性，多使用於高功率基地台與低雜訊放大器(Low Noise Amplefier，LNA)。而HBT 為較新之技術，其本質為GaAs 製作的雙載子電晶體(Bipolar Junction Transistor，BJT)，HBT的三極(Emitter、Collector、Base)呈垂直排列，而通道內的電子流為垂直流向，促使功率密度較高，因此在同樣的輸出功率之下，HBT的Die Size較其他二者小，此外HTB僅需單一電壓操作，其餘二者需要雙電壓推動，另外還有線性效果佳、功率效益高等優勢，因此適合用於手機等講究待機時間的行動通訊產品，促使HBT 成為行動通訊PA(功率放大器)採用的主流結構。

砷化鎵產業結構與矽(Si)產業相近，也是從最上游的基板、磊晶長成、晶圓設計，到中游的磊晶生產製造、下游的封裝、測試及系統組裝，不過矽產業發展已數十年，逐漸從早期的垂直整合(IDM整合廠)發展到專業分工。但砷化鎵製程與矽最大不同，在於砷化鎵的磊晶過程比較複雜，所以才形成單獨的磊晶事業，國內投入的廠商，包括全新、巨鎵、台灣高平等，砷化鎵磊晶廠必須先取得基板晶圓之後才能進行磊晶，且砷化鎵材料成本也較高。磊晶也因產品用途不同，於砷化鎵晶圓片上面放上一些特定的材料，如AlGaAs、InGaP等。

◎砷化鎵元件製程

◎砷化鎵與矽材特性比較

2008年全球GaAs元件市場規模為39億顆，2009年因為手機出貨量較2008年衰退，但受惠3G手機、Smart Phone及WLAN對功率放大器使用量上升，2009年GaAs元件市場規模仍較2008年成長5%，達41億顆的水準。展望2010年，手機需求量上升，預估GaAs元件市場規模可望成長至47億顆的水準，年成長約15%。

Strategy Analytics報告指出，全球gallium arsenide，GaAs半導體元件市場，將由2011年的約2.05億美元規模，在2015年成長至3.20億美元。

採用砷化鎵所生產之LED，目前只能發出紅外線與紅光，其高亮度LED也可用在照明上，先應用在汽車的煞車燈，未來包括車內閱讀燈、室外看板所需要的白光 LED，均可由砷化鎵延伸應用。