多股暖流即将抵达，砷化镓市场有望迎来回暖

砷化镓材料按照电阻率划分可以分为低阻砷化镓材料和半绝缘砷化镓材料。低阻砷化镓材料主要应用于激光电视、LED（包括常规LED,MicroLED等）、光伏电池、光纤数据传输以及激光雷达等领域；而半绝缘砷化镓材料则主要应用于手机PA组件、5G基站T/R组件以及相控阵雷达T/R组件等领域。

近年来，激光电视因观看舒适度高，色饱和度高，光谱亮度高等优势得到了业界专家的广泛认同。2023年早些时候，中国工程院院士，中国科学院理化技术研究所研究员许祖彦就表示：“激光显示是超高清显示必由之路。”

许祖彦表示：“显示产业发展方向是走向人眼的分辨极限，目标是高保真视频图像的获取和再现。回顾显示产业发展历程，20世纪30年代的黑白显示，解决了图像有无问题；20世纪50年代的彩色显示，解决了视频图像有色问题；20世纪末的数字显示，解决视频图像易被干扰的问题。“到了21世纪初的激光显示，则是解决图像高保真再现问题，也就是视频图像超高清问题。再向未来就是全息成像或计算成像，解决真三维显示问题。”

许祖彦还指出：“2006年中国科学院理化所团队提出了激光显示产业化发展路线图，即1995年研发气体激光器，2005年研发全固态激光，2015年研发混合光源，2017年以三基色LD为主，2025年是激光显示产业化重要时期，2030年形成产业规模。”

许祖彦表示：“半导体激光是激光显示产业化最佳光源，具有电激发、高效率、波长可调控、大消光比、长寿命、全固态、小型化、成本低（可利用半导体工艺规模量产）等优点。中国的激光投影显示已形成百亿元的市场，家用电视、数字院线、沉浸显示、工程投影等领域总体正在以30%的年增长率快速增长。中国的激光平板显示市场也将快速发展，便携显示、车载显示、医用显示共同打造未来千亿美元市场。”

另据本协会调研，目前我国激光显示产业链的短板主要集中在材料与器件方面。在衬底材料方面，三基色LD激光显示所用的激光器为延长使用寿命，提高输出功率，将会分别主要使用砷化镓和氮化镓衬底。具体情况请详见下表。

表1 激光显示用激光器衬底材料情况概要

智能化、电动化正在成为汽车下一阶段的发展方向，配备先进传感器的高阶自动驾驶更是国内自主厂商借助智能化弯道超车的重点。其中，激光雷达因其探测距离远、探测精度高、响应速度快、受环境干扰影响较少及可近似全天候工作等优势，成为大部分整车厂提高汽车智能驾驶水平的主流选择。

目前，激光雷达技术路线百花齐放，主要包括以Velodyne为代表的机械式激光雷达和以Luminar、法雷奥、大疆、华为等代表的半固态式激光雷达以及性能优越但技术仍处瓶颈期的固态激光雷达。与特斯拉等领先厂商相比，在软件和算法落后的背景下，其他整车厂商更倾向于选择激光雷达+高精度地图作为L3级别自动驾驶的解决方案。

随着华为、大疆等跨界玩家的入局，激光雷达性能大幅提升，成本大幅度下降。近年来，整车厂方面激光雷达装机意愿更是不断增强。目前，除特斯拉之外，激光雷达已经基本成为20万以上新能源汽车的标配。

表2 部分新能源汽车使用激光雷达概况

激光雷达大体可以分为905nm和1550nm两种。得益于人脸识别用VCSEL和光纤通讯的发展，这两种激光雷达都有相应的产业基础。目前，大致情况请详见下表。

图1  应用于车侧的激光雷达

图2 应用于车顶的激光雷达

表3 车载激光雷达概况

据悉，2021 年被称为激光雷达开启前装量产的元年。当年，中国市场乘用车前装标配搭载激光雷达数量不到 8000 颗。

而2023年，全球乘用车载激光雷达出货量大概率突破 50 万颗。2024 年出货量有望在 2023 年的基础上翻倍——达到 100 万颗。这 100 万颗，对应的仅仅是1% 左右的市场渗透率。未来市场前景非常广阔。

据本协会调研了解，除应用于新能源汽车，激光雷达在无人机、扫地机器人以及国防领域也有较多应用。另外，在车载激光雷达的电源控制系统，氮化镓器件因其反应速度快，功率密度大等优点，深受好评。

随着2017年苹果手机首次将GaAs VCSEL用于3D人脸识别，其他品牌智能手机随即跟进，极大地提高了砷化镓VCSEL的应用。近年来，VCSEL应用的砷化镓衬底的销售金额约占10%左右。但是，2023年发布的iPhone 15采用了全面屏技术，改用了透过性更强的InP EEL激光器，客观上抢占了砷化镓材料的部分高端市场份额。但是，YOLE的分析报告中指出，目前GaAs VCSEL的成本仅为InP EEL的60%左右。因此，本协会认为中低端的市场短期内相对安全。

图3 搭载InP EEL激光器的真全面屏Iphone 15

图4 GaAs VCSEL与InP EEL激光器成本对比图

随着信息技术的快速发展，全球数据量需求持续增长，对通信技术提出了更高的要求，而通过电缆进行信号传输的传统通信方式，因其传输损耗大、功耗高、距离短、数据量小、带宽限制等问题，无法适应当下的数据传输需求，以光信号为载体、光纤为传输介质的光通信技术正在崛起。目前在千兆光纤入户、5G通信网络、数据中心等领域得到广泛的应用。

不同于传统的电缆（主要是铜介质）传输，光通过光纤介质的传输需要进行光电信号的转换：首先在发射端，通过激光器芯片将电信号转换为光信号；然后经过光纤传输至接收端；最后在接收端，通过探测器芯片再将光信号还原为电信号。其中，激光器芯片和探测器芯片合称为光芯片，是光通信的核心部件之一，其性能直接决定了光通信系统的传输效率。

激光器发射芯片主要有VCSEL、FP、DFB和EML四个类型。具体情况详见下表。

表4 光通信激光器芯片概况

探测器芯片则主要有PIN和APD两个类型。详情请见下表。

表5 光通信探测器芯片概况

总而言之，在光芯片发射端，目前主要选用适合高频通信的磷化铟材料和砷化镓材料。其中，磷化铟材料的应用更多，主要应用于电信、数据中心等中长距离传输，砷化镓主要应用于短距离传输等。

2023年，ChatGPT4.0的爆火给光通信领域注入了一剂强心剂。据AXT公司2023年三季度财报显示，在光通信领域需求的带动下，今年下半年的砷化镓市场有所回暖。

除了光子器件外，砷化镓在光电领域的另外一个应用是LED。近年来，全球LED用砷化镓衬底出货量约占总砷化镓衬底出货量的40%，但由于单片销售价格偏低，LED用衬底的销售金额只占30%左右。根据应用波段不同，砷化镓LED可分为红橙黄LED和红外LED,主要应用于是户外显示、景观或植物照明、交通信号灯、汽车照明等领域。红外LED还用于医疗以及户外生命探测等领域。

除普通LED外，砷化镓基LED还用做“红绿蓝”三原色中的红色像素的色源。近年来MicroLED和MiniLED越来越受到苹果等许多国际大厂的重视。MicroLED由于芯片尺寸到了微米级，具有极佳的显示效果，被称为新一代显示技术。短时间内MicroLED的应用主要用于AR眼镜显示、智能手表、汽车仪表显示等小的面积应用。如果这一技术发展起来，将会应用于面积更大的显示屏等领域，这样砷化镓衬底的需求将会急速增加，将会是一个新的增长点。

图5 基于“红绿蓝”三原色的MicroLED制备示意图

在过去的两年中，MicroLED技术在各个方面都取得了进步，LED效率不断提高，巨量转移和组装的技术不断提高，技术和性能已经达到一定的水平，可以一定程度满足MicroLED经济可行的应用需求，并且已经出现了一些应用实例。目前除了使用砷化镓基LED的技术路线外，还有许多采用蓝宝石或硅基红光LED的技术在开发中。但目前为止，基于GaAs的RGB的MicroLED技术还是最先进的，也是的当前的主流。

众多周知，目前半导体光电显示领域处于OLED、QLED以及MicroLED等多条技术路线并行的发展阶段。目前，主流观点认为对于AR和汽车应用，MicroLED具有力的差异化优势，而对于手机、手表、电视和笔记本电脑，MicroLED则需要愿意投入大量资源的公司。

表6 MicroLED芯片概况

砷化镓是III-V族半导体材料的典型代表，禁带宽度Eg是1.43eV，与太阳光谱匹配，是理想的太阳能电池材料。目前，该领域砷化镓的应用方向主要包括用空间太阳能多结电池和民用低成本高效率太阳能电池。

在空间太阳能多结电池方面，和硅基太阳能电池相比，砷化镓太阳能电池具有更高的光电转换效率，其中三结砷化镓太阳能电池光电转换效率可以达到50%以上，远远高于Si太阳能电池的最高理论效率23%。

在民用低成本高效率太阳能电池方面，近年来低阻砷化镓的价格不断下跌。曾经的材料贵族目前的价格可谓平易近人。2023年，美国能源部（DOE）国家可再生能源实验室（NREL）表示，研究人员通过计算和实验研究，利用动态氢化物气相外延（D-HVPE）技术生长出砷化镓（GaAs）异质结太阳能电池，经认证，其效率达到27%，创下利用该技术生长单结GaAs电池的记录。这项研究是美国国家可再生能源实验室研究人员的最新研究，旨在降低III-V族太阳能电池的成本，使其用于地面应用，而不是更成熟的太空应用。与现有技术相比，动态氢化物气相外延技术有望成为合成这类电池的低成本方法。

智能手机和5G基站用砷化镓射频器件是砷化镓最主要的应用之一，近年来占据着40%-50%左右的市场。

砷化镓射频器件主要由半绝缘砷化镓材料制备，应用于众多的射频领域，包括基站、路由器，智能手机以及相控阵雷达等等。射频器件主要包括GaAs金属－半导体场效应晶体管(MESFET)、高电子迁移率晶体管(HEMT)、GaAs基异质结双极晶体管(HBT)等。智能手机和掌上电脑历来是GaAs RF市场的最大细分市场。

智能手机中射频器件包括射频开关、LNA、PA、滤波器、调谐器和毫米波FEM等，其中PA和滤波器是射频器件的重要部分。基于功耗和成本等因素，2G手机的PA市场已经被芯片尺寸更小的CMOS所占据，但在4G和5G智能手机中GaAs PA仍然是手机的主要选择，而且GaAs占有绝对地位。预计GaAs将继续成为6Ghz以下的主流技术，因为它是唯一能够满足不断增加的功率水平和线性要求的衬底材料技术。

在无线移动网络连接方面，WiFi-6在2019年开始进入市场。一些OEM厂商也推出了搭载WiFi6的新手机，尽管有转向基于SiGe的SoC趋势，但在一些高端手机中，仍在使用性能更好的GaAs PA。新发布的WiFi 6E标准中，通信频率将达到6GHz，这样对GaAs的应用更为有利，而SiGe的由于性能所限，市场会缩小。此外，在路由器方面，由于GaAs高功率PA有更高的覆盖率，砷化镓仍然是路由器PA的主要选择，并且随着向WiFi 6标准的过渡，市场会进一步增长。

回归砷化镓材料，简单总结一下，主要有以下几点：

第一、半绝缘砷化镓产业将稳步向前发展

半绝缘砷化镓的市场实际上与智能手机产业高度绑定。目前来看，智能手机未来发展将呈现稳中求进的总体态势。半绝缘砷化镓材料在Sub6G时代的地位难以动摇。

第二、低位错密度砷化镓衬底的市场需求正在崛起

位错密度是最重要的砷化镓衬底的参数之一。通常由于砷化镓导热性差的原因，晶体尺寸越大，相应的衬底中的EPD也会随之增加。传统的射频和光伏器件，由于其功率密度较低，对砷化镓衬底的位错密度的容忍度也较高。针对车载汽车雷达用VCSEL芯片、激光显示用激光器芯片以及MicroLED芯片，由于功率密度较大，对EPD等微缺陷特别敏感，甚至要求要达到零缺陷，因此随着激光显示和激光雷达等领域的迅猛发展，低位错密度砷化镓衬底的市场需求也将逐步崛起。

第三、8英寸砷化镓衬底的市场需求正在崛起

在射频和高端光电器件应用中，主流的砷化镓晶片尺寸是6英寸，有一些制造商也还在使用4英寸砷化镓衬底。但是随着光子器件尺寸的缩小，以及未来MicroLED的发展，为达到更高的晶片面积利用率和更优的成本效益，8英寸的砷化镓衬底将会是最佳选择。目前，以北京通美晶体技术技术股份有限公司为代表的砷化镓衬底厂已经开始小批量供货。

转自：电子新材料 公众号