隨著上世紀(jì)70年代晶體生長(zhǎng)技術(shù)飛躍發(fā)展，砷化鎵（GaAs）作為第二代半導(dǎo)體材料出道即巔峰，并以其優(yōu)異特性在近60年中長(zhǎng)期保持競(jìng)爭(zhēng)力——具體包括：最初作為一種直接帶隙半導(dǎo)體（能夠直接將電子躍遷產(chǎn)生的能量釋放為光子），在太陽(yáng)能電池中得到應(yīng)用；還因其禁帶寬度（約1.42eV）比硅寬，電子遷移率（8500cm2/V·s）遠(yuǎn)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(lǐng)域有突出表現(xiàn)；2010年隨著LED以及智能手機(jī)的普及，再到2017年iPhoneX首次引入了VCSEL激光器（垂直腔面發(fā)射激光器）用于面容識(shí)別，砷化鎵應(yīng)用場(chǎng)景拓寬到消費(fèi)電子市場(chǎng)，進(jìn)入規(guī)模化應(yīng)用階段。

如今，正處于新能源替代傳統(tǒng)能源的風(fēng)口浪尖，技術(shù)革命的腳步也已經(jīng)走到人工智能這扇門前，砷化鎵還能繼續(xù)站在先進(jìn)前沿材料的隊(duì)伍中迸發(fā)耀眼光芒嗎？

一、激光器

激光器是光纖通信和光互連系統(tǒng)的核心組件。隨著AI模型的復(fù)雜度和數(shù)據(jù)量的增加，傳統(tǒng)電子互連在速度和能效上受到限制。利用激光器進(jìn)行的光互連可以實(shí)現(xiàn)高速、低延遲的數(shù)據(jù)傳輸，極大地提高數(shù)據(jù)中心和AI處理單元之間的通信效率。在自動(dòng)駕駛、機(jī)器人和智能家居中，激光器用于激光雷達(dá)系統(tǒng)（LiDAR），為AI系統(tǒng)提供高精度高分辨率的3D環(huán)境圖像數(shù)據(jù)。

砷化鎵的直接帶隙特征決定了它在光電應(yīng)用中的天然優(yōu)勢(shì)。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(fā)光效率、高擊穿電壓等特點(diǎn)，也使其在人工智能、無(wú)人駕駛等應(yīng)用中占據(jù)先機(jī)。具體可以參考以下收集的市場(chǎng)調(diào)研數(shù)據(jù)：

根據(jù)Yole預(yù)測(cè)，激光器是砷化鎵襯底近五年最大的應(yīng)用增長(zhǎng)點(diǎn)之一。預(yù)計(jì)到2025年，全球激光器砷化鎵襯底（折合二英寸）的市場(chǎng)銷量將從2019年的106.2萬(wàn)片增長(zhǎng)至330.3萬(wàn)片，年復(fù)合增長(zhǎng)率為20.82%；預(yù)計(jì)到2025年，全球激光器砷化鎵襯底市場(chǎng)容量將達(dá)到6,100萬(wàn)美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率為16.82%。

2019-2025年全球激光器器件砷化鎵襯底預(yù)計(jì)銷量和市場(chǎng)規(guī)模

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

VCSEL作為3D傳感技術(shù)的基礎(chǔ)傳感器，隨著5G通信技術(shù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)受益于物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)的廣泛應(yīng)用，VCSEL的市場(chǎng)規(guī)模不斷增長(zhǎng)，特別是以VCSEL為發(fā)射源的3D立體照相機(jī)將會(huì)迎來(lái)高速發(fā)展期，3D相機(jī)是一種能夠記錄立體信息并在圖像中顯示的照相機(jī)，可以記錄物體縱向尺寸、縱向位置以及縱向移動(dòng)軌跡等。此外，VCSEL作為3D傳感器，在生物識(shí)別、智慧駕駛、機(jī)器人、智能家居、智慧電視、智能安防、3D建模、人臉識(shí)別和VR/AR等新興領(lǐng)域擁有廣泛的應(yīng)用前景。

根據(jù)Yole預(yù)測(cè)，隨著3D傳感技術(shù)在各領(lǐng)域的深度應(yīng)用，VCSEL市場(chǎng)將持續(xù)快速發(fā)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(wàn)片，預(yù)計(jì)到2025年將增長(zhǎng)至299.32萬(wàn)片，年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到21.32%；2019年全球VCSEL器件砷化鎵襯底市場(chǎng)規(guī)模約為2,100萬(wàn)美元，預(yù)計(jì)到2025年全球砷化鎵襯底市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò)5,600萬(wàn)美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率為17.76%。

2019-2025年全球VCSEL器件砷化鎵襯底預(yù)計(jì)銷量和市場(chǎng)規(guī)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(yōu)勢(shì)，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(shí)代對(duì)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(yīng)用于長(zhǎng)距離、長(zhǎng)通信時(shí)間的高頻電路中。伴隨5G基站建設(shè)以及5G手機(jī)的推廣將使砷化鎵基射頻器件穩(wěn)步增長(zhǎng)。

2019-2025年全球射頻器件砷化鎵襯底預(yù)計(jì)銷售量和市場(chǎng)規(guī)模

根據(jù)Yole預(yù)測(cè)，2025年全球射頻器件砷化鎵襯底（折合二英寸）市場(chǎng)銷量將超過(guò)965.70萬(wàn)片，2019-2025年年均復(fù)合增長(zhǎng)率為6.32%。2025年全球射頻器件砷化鎵襯底市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò)9,800萬(wàn)美元，2019-2025年年均復(fù)合增長(zhǎng)率為5.03%。

LED器件：其高效、低功耗、長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于照明、顯示、信號(hào)指示等領(lǐng)域。具體原理是當(dāng)電流通過(guò)LED時(shí)，電子從半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶躍遷到價(jià)帶，與空穴復(fù)合，釋放出能量以光子的形式，不同材料的半導(dǎo)體產(chǎn)生不同波長(zhǎng)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(fā)出橙光。此外，砷化鎵在高效紅外發(fā)射的應(yīng)用中也穩(wěn)如泰山，幾乎不可替代。

2019-2025 年全球 LED 器件砷化鎵襯底預(yù)計(jì)銷量和市場(chǎng)規(guī)模

根據(jù) Yole 預(yù)測(cè)，2019 年全球 LED 器件砷化鎵襯底市場(chǎng)（折合二英寸）銷量約為 846.9 萬(wàn)片，預(yù)計(jì)到 2025 年全球 LED 器件砷化鎵襯底（折合二英寸）市場(chǎng)銷量將超過(guò) 1,300 萬(wàn)片，2019 年全球 LED 器件砷化鎵襯底市場(chǎng)規(guī)模約為 6,800 萬(wàn)美元，預(yù)計(jì)到 2025 年全球 LED 器件砷化鎵襯底市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò) 9600 萬(wàn)美元，相較 2019 年將增加接近 3000 萬(wàn)美元的市場(chǎng)規(guī)模。

小結(jié)

與磷化銦一樣，砷化鎵在半導(dǎo)體材料的分類中屬于III-V 族化合物半導(dǎo)體材料，除了同樣具備電子遷移率高、光電性能好的特點(diǎn)，而且就產(chǎn)業(yè)化角度，也是僅次于硅之外最成熟的半導(dǎo)體材料。目前，砷化鎵的商業(yè)化制備主要路線是垂直梯度凍結(jié)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(jié)晶，形成單晶砷化鎵，不僅能夠生長(zhǎng)出較大的單晶，而且晶體質(zhì)量也滿足絕大多數(shù)應(yīng)用需求。

2021年全球砷化鎵襯底市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局

從市場(chǎng)格局來(lái)看，全球砷化鎵襯底市場(chǎng)集中度較高，根據(jù) Yole 統(tǒng)計(jì)，全球砷化鎵襯底市場(chǎng)主要生產(chǎn)商包括 Freiberger、Sumitomo 和AXT，2021 年全球市場(chǎng)份額分別為 28%/21%/13%。整體來(lái)看，砷化鎵襯底材料仍由海外供應(yīng)商主導(dǎo)，國(guó)產(chǎn)替代空間巨大。

參考文獻(xiàn)：

《招股說(shuō)明書(shū)》北京通美晶體技術(shù)股份有限公司

《GaAs 和 InP 化合物半導(dǎo)體的發(fā)展趨勢(shì)及應(yīng)用》韓家賢

《砷化鎵材料發(fā)展?fàn)顩r概述》趙巧云

《有色金屬年度策略：破浪有時(shí)，靜待風(fēng)起》華安證券

《數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代 AI 引領(lǐng)新變革，金屬新材料迎新成長(zhǎng)機(jī)遇》中國(guó)銀河證券研究院

肖林