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超越摩爾領域的外延設備技術及市場趨勢

2020-01-30 09:58 ? 次閱讀

microLED顯示器和功率器件的驅動下,外延設備的出貨量在未來五年將增長三倍以上。


外延在半導體產業鏈中的位置

化合物半導體外延片正大舉進軍超越摩爾領域

據麥姆斯咨詢介紹,目前,外延生長用于硅基器件及III-V族化合物半導體產業。生長高質量的材料是半導體器件的關鍵要素。2019年,外延片的需求超過了780萬片6英寸晶圓,這主要是由LED和功率器件驅動產生的。預計到2025年,外延片需求將達到至頂峰,相當于2130萬片6英寸晶圓,主要驅動力來自microLED、功率器件和激光二極管

2019~2025年外延片市場預測

主要超越摩爾領域的器件

外延生長 vs.?超越摩爾器件應用

在半導體襯底方面,氮化鎵(GaN)材料是繼硅襯底之后的主要外延市場,由傳統的LED氮化鎵器件驅動發展。然而,整個可見光LED產業目前正在將業務多元化,開發基于砷化鎵(GaAs)襯底的紫外LED和紅外LED產品。此外,LED制造商還在研發新型LED,以繼續在消費類顯示器中創造價值,如miniLED和microLED。有消息稱,蘋果(Apple)公司計劃在2021年的高端智能手表中采用microLED顯示技術。在理想的情況下,microLED還可以應用于智能手機中,那么這肯定會重塑外延晶圓市場。

另一方面,碳化硅(SiC)襯底等寬禁帶材料在電力電子市場上也找到了商機。盡管碳化硅襯底的市場價格較高,但是這種襯底是高(電)壓應用的重要支撐,因此被認為是一些MOSFET和二極管產品的技術選擇。

展望未來,紅外激光二極管(VCSEL)等光電子產品正在向外延生長市場進軍,它們通常需要外延砷化鎵材料。另外,砷化鎵對于射頻產品尤其有利,包括sub-6GHz和28GHz~39GHz范圍內的毫米波小基站。因此,智能手機從4G向5G發展時,我們預計砷化鎵將取代CMOS,繼續成為sub-6GHz的主流技術。選擇合適的襯底將在很大程度上取決于與器件要求相關的技術性能及成本。

VCSEL和新型LED將引爆外延設備市場

2019年,超越摩爾領域的外延設備市場接近9.4億美元,包括硅基和非硅基應用。由于VCSEL和新型LED蓬勃發展,預計2025年外延設備市場將超過60億美元。

從技術的角度看,金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)服務于大多數III-V族化合物半導體外延產業,如砷化鎵和氮化鎵基器件。高溫CVD是目前主流的硅基器件和碳化硅器件。

目前的外延設備市場主要由LED和功率器件驅動。事實上,中國補貼政策導致了LED產線建設的過度。與實際生產需求相比,MOCVD市場目前處于氮化鎵LED產能嚴重過剩的狀況。MOCVD的投資在未來幾年難以預測,并且可能會逐年變化。如果政府決定嚴格禁止主要的LED制造商提升氮化鎵晶圓產能,那么情況可能會逐漸好轉。本報告考慮了傳統LED和新型microLED市場的不同情況。

對于傳統的氮化鎵LED,MOCVD的投資趨勢不會跟隨LED晶圓的需求。關于氮化鎵LED的特定優點和缺點可能與過去一樣出現。但是,考慮到中國最近的競爭趨勢,普通照明和背光市場已經商品化。因此,外延設備供應商預計這些市場不會帶來可觀的收入。然而,就缺陷和均勻性而言,對microLED的外延要求比傳統LED更為嚴格。可靠的技術路線圖能夠改進工具和設備,以達到約每平方厘米有0.1個缺陷(0.1 defects/cm2)或大于1μm的缺陷更少。與傳統的LED制造相比,潔凈室也需要更嚴格的要求,包括自動化和晶圓清洗。對于小于10μm的最小裸片來說,這點尤其正確!

同時,隨著消費類應用大量采用垂直腔面發射激光器(VCSEL)和邊緣發射激光器(EEL),激光二極管為外延設備市場提供了一個新興的增長機遇。

相比之下,微機電系統(MEMS)產業是整個外延設備的一個利基市場,因為它們的生產能力已經非常成熟。

MOCVD設備市場可能會受到激光二極管、microLED和VCSEL等化合物半導體器件向分子束外延(MBE)技術過渡的影響。事實上,MBE可以在VCSEL產量和均勻性方面帶來更大的優勢,也可以在高頻5G射頻應用方面帶來更大的優勢。

就碳化硅功率器件而言,MOCVD制造商正試圖開發新型MOCVD技術,以應對主要使用高溫CVD的碳化硅市場。

顛覆性的非硅基器件引領更具競爭力的外延生長前景

外延生長應用及機遇

非硅基襯底類型 vs.?超越摩爾器件應用

從競爭格局來看,外延設備市場被三個不同類別的外延設備制造商占據:

(1)頂級半導體設備供應商,例如來自硅基器件前端制造工藝領域的東京電子(Tokyo Electron)和應用材料(Advanced Materials),提供為外延工藝優化的CVD設備,但他們通常不在MOCVD領域競爭。

(2)專業的MOCVD設備供應商,例如愛思強(AIXTRON)、維易科(Veeco)和中微半導體(AMEC),他們分別開發了專門用于固態照明的設備。

(3)來自功率半導體領域的碳化硅產業或高水平射頻應用的設備供應商,提供高溫CVD設備,例如LPE或Nuflare,以及開發專用MBE設備的供應商,例如Riber。

2018年,三家設備制造商占據了外延設備市場近60%的份額。AIXTRON是砷化鎵市場的領頭羊,在激光二極管和砷化鎵LED方面具有強大的地位。AMEC在砷化鎵LED方面的地位也較好。考慮到中美知識產權(IP)糾紛的復雜關系,Veeco在中國的市場份額已經被AMEC搶走。隨著貿易壁壘和額外稅收的增加,這種情形可能會繼續下去,從而嚴重影響Veeco的市場份額,降低Veeco在中國市場的競爭力。

外延設備供應商競爭格局

2018年全球主要外延設備供應商的市場份額

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