VCSEL和创新LED推动磊晶设备市场成长

行家说LED快讯 · 2020-04-01

化合物半导体磊晶晶圆正向「超越摩尔定律」产业迈进,特别是在VCSEL和创新型LED元件推动下,磊晶设备市场预计在接下来的5年快速成长…

根据Yole Développement的调查报告,用于「超越摩尔定律」(More than Moore)元件的磊晶(epitaxy)生长设备市场在2019年达到了近9.4亿美元的市场规模,而且在乐观估计下,预计到2025年将超过60亿美元。


2019-2025年More than Moore元件的磊晶设备市场规模(以技术类别计)(来源:Yole Développement, 2020)

从技术角度来说,III-V族化合物半导体磊晶产业——如基于砷化镓(GaAs)和氮化镓(GaN)的元件,主要采用金属有机化学气相沉积(MOCVD),而高温( HT)化学气相沉积(CVD)则服务于大多数主流矽基元件和碳化矽(SiC)元件。

Yole在其最新发布的技术与市场报告《用于超越摩尔定律元件的磊晶生长设备》(Epitaxy Growth Equipment for More Than Moore Devices)中分析矽基和非矽基应用,探索「超越摩尔定律」应用以及相关设备的磊晶半导体基底。此外,报告中还包含市场的竞争局势和主要磊晶设备供应商的市占率。

半导体产业传统上主要以矽基底为导向,尽管矽至今为止仍以80%的市占率为主导,非矽基的其他基底选项在「超越摩尔定律」产业中的发展态势逐渐增强,如GaAs、 GaN、SiC和磷化铟(InP)。当面对严苛要求而矽解决方案无法提供所需性能时,新的应用就出现了。因此,半导体厂商开始考虑创新型基底材料。

首先,继矽基底之后,GaN材料代表主要的磊晶市场,这主要受到了传统LED GaN元件的推动。不过,整个LED产业目前正增强活动的多样性,向更专用型的GaAs基底UV和IR LED转变。此外,LED制造商们正开发新型LED,持续在消费显示器中创造价值,例如miniLED和microLED。苹果(Apple)也开始朝这个方向发展,在其较高阶的2021新款智慧型手表中采用此类元件。最好的情况是,microLED也能扩展到智慧型手机产品,因而重塑epi-ready的晶圆市场。

另一方面,诸如SiC基底等宽能隙(WBG)材料已经在功率电子市场中找到了机会。在此市场中,交通运输、再生能源、马达驱动以及一些供电应用都需要降低功耗。尽管SiC市场价格较高,此类基底对于高压应用而言还是一项强大的优势,因而被视为某些MOSFET和二极体产品的技术选择。

展望未来,像VCSEL这一类在IR波谱中运作而且通常用于GaAs进行处理的光电产品(雷射二极体)正积极进入磊晶生长市场。此外,GaAs对于小型基地台安装这样的RF产品特别有优势,包括sub-6Ghz的频段和28GHz-39GHz频段中的首批毫米波(mmWave)小型基地台。因此,随着手机从4G向5G过渡,预期GaAs将取代CMOS占据sub-6Ghz频段的主流技术地位。针对天线的板空间缩小、载波聚合(CA)以及MIMO技术带来不断成长的功率和线性要求,这也是足以满足所有要求的唯一技术。


2019-2025年epi-ready晶圆需求预测(以应用类别计)(来源:Yole Développement, 2020)

如何选择合适的基底技术将大幅取决于与元件要求相关的技术性能,以及成本。Yole半导体制造技术与市场分析师Amandine Pizzagalli表示,「至今为止,磊晶生长设备市场主要由LED和功率应用驱动。事实上,在中国的大量分公司导致LED的产能过剩。相较于实际产量, MOCVD市场目前处于GaN LED产能严重过剩的状态。再接下来几年,MOCVD市场的投资尤其难以预测,而且可能每年都会改变。如果政府决定严格防止LED制造商生产更多GaN晶圆,那么就可能逆转这种情况。」

对于传统基于LED GaN的元件而言,MOCVD投资趋势并不会和LED晶圆的需求保持一致。LED GaN元件可能会出现一定的上升和下降走势,就像过去出现过的一样。尽管如此,由于近期中国的竞争趋势,照明和背光市场整体变得商品化了。因此,磊晶供应商们并不期待这些市场会在未来带来显著收益。

然而,在缺陷和均匀性方面,对于microLED磊晶的要求比对传统LED更严苛。在工具和设备方面的改进都有可靠的发展蓝图,以使大于1微米的缺陷达到约0.1defects/cm 2或更低的每平方厘米缺陷率。相较于传统LED制造,无尘室需要更严格的操作条件,包括自动化和晶圆清洁。特别是对于小于10微米的最小裸晶,其致命缺陷较小,无尘室的要求也更为严格。同时,随着消费品产业大规模采用边缘发射雷射和VCSEL,雷射二极体展现出更快速的成长机会。

相形之下,MEMS产业是整个磊晶生长设备市场中的小型利基市场,其产能已非常成熟了。对于基于化合物半导体的元件,如雷射二极体、microLED和VCSEL,向分子束磊晶(MBE)的潜在技术过渡可能会影响到MOCVD反应器市场。事实上,MBE不仅可为VCSEL的良率和一致性方面带来更大优势,对于高频5G RF应用来说也是如此。

在SiC功率方面,MOCVD制造商正致力于寻找并开发新型MOCVD技术,以因应占据最多HT CVD应用的SiC市场。