超越摩爾領(lǐng)域的外延設(shè)備技術(shù)及市場(chǎng)趨勢(shì)

在microLED顯示器和功率器件的驅(qū)動(dòng)下，外延設(shè)備的出貨量在未來(lái)五年將增長(zhǎng)三倍以上。

外延在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中的位置

化合物半導(dǎo)體外延片正大舉進(jìn)軍超越摩爾領(lǐng)域

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，目前，外延生長(zhǎng)用于硅基器件及III-V族化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。生長(zhǎng)高質(zhì)量的材料是半導(dǎo)體器件的關(guān)鍵要素。2019年，外延片的需求超過(guò)了780萬(wàn)片6英寸晶圓，這主要是由LED和功率器件驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的。預(yù)計(jì)到2025年，外延片需求將達(dá)到至頂峰，相當(dāng)于2130萬(wàn)片6英寸晶圓，主要驅(qū)動(dòng)力來(lái)自microLED、功率器件和激光二極管。

2019~2025年外延片市場(chǎng)預(yù)測(cè)

主要超越摩爾領(lǐng)域的器件

外延生長(zhǎng) vs.超越摩爾器件應(yīng)用

在半導(dǎo)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(chǎng)，由傳統(tǒng)的LED氮化鎵器件驅(qū)動(dòng)發(fā)展。然而，整個(gè)可見(jiàn)光LED產(chǎn)業(yè)目前正在將業(yè)務(wù)多元化，開(kāi)發(fā)基于砷化鎵（GaAs）襯底的紫外LED和紅外LED產(chǎn)品。此外，LED制造商還在研發(fā)新型LED，以繼續(xù)在消費(fèi)類顯示器中創(chuàng)造價(jià)值，如miniLED和microLED。有消息稱，蘋果（Apple）公司計(jì)劃在2021年的高端智能手表中采用microLED顯示技術(shù)。在理想的情況下，microLED還可以應(yīng)用于智能手機(jī)中，那么這肯定會(huì)重塑外延晶圓市場(chǎng)。

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

展望未來(lái)，紅外激光二極管（VCSEL）等光電子產(chǎn)品正在向外延生長(zhǎng)市場(chǎng)進(jìn)軍，它們通常需要外延砷化鎵材料。另外，砷化鎵對(duì)于射頻產(chǎn)品尤其有利，包括sub-6GHz和28GHz~39GHz范圍內(nèi)的毫米波小基站。因此，智能手機(jī)從4G向5G發(fā)展時(shí)，我們預(yù)計(jì)砷化鎵將取代CMOS，繼續(xù)成為sub-6GHz的主流技術(shù)。選擇合適的襯底將在很大程度上取決于與器件要求相關(guān)的技術(shù)性能及成本。

VCSEL和新型LED將引爆外延設(shè)備市場(chǎng)

2019年，超越摩爾領(lǐng)域的外延設(shè)備市場(chǎng)接近9.4億美元，包括硅基和非硅基應(yīng)用。由于VCSEL和新型LED蓬勃發(fā)展，預(yù)計(jì)2025年外延設(shè)備市場(chǎng)將超過(guò)60億美元。

從技術(shù)的角度看，金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）服務(wù)于大多數(shù)III-V族化合物半導(dǎo)體外延產(chǎn)業(yè)，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(shè)備市場(chǎng)主要由LED和功率器件驅(qū)動(dòng)。事實(shí)上，中國(guó)補(bǔ)貼政策導(dǎo)致了LED產(chǎn)線建設(shè)的過(guò)度。與實(shí)際生產(chǎn)需求相比，MOCVD市場(chǎng)目前處于氮化鎵LED產(chǎn)能嚴(yán)重過(guò)剩的狀況。MOCVD的投資在未來(lái)幾年難以預(yù)測(cè)，并且可能會(huì)逐年變化。如果政府決定嚴(yán)格禁止主要的LED制造商提升氮化鎵晶圓產(chǎn)能，那么情況可能會(huì)逐漸好轉(zhuǎn)。本報(bào)告考慮了傳統(tǒng)LED和新型microLED市場(chǎng)的不同情況。

對(duì)于傳統(tǒng)的氮化鎵LED，MOCVD的投資趨勢(shì)不會(huì)跟隨LED晶圓的需求。關(guān)于氮化鎵LED的特定優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)可能與過(guò)去一樣出現(xiàn)。但是，考慮到中國(guó)最近的競(jìng)爭(zhēng)趨勢(shì)，普通照明和背光市場(chǎng)已經(jīng)商品化。因此，外延設(shè)備供應(yīng)商預(yù)計(jì)這些市場(chǎng)不會(huì)帶來(lái)可觀的收入。然而，就缺陷和均勻性而言，對(duì)microLED的外延要求比傳統(tǒng)LED更為嚴(yán)格?？煽康募夹g(shù)路線圖能夠改進(jìn)工具和設(shè)備，以達(dá)到約每平方厘米有0.1個(gè)缺陷（0.1 defects/cm2）或大于1μm的缺陷更少。與傳統(tǒng)的LED制造相比，潔凈室也需要更嚴(yán)格的要求，包括自動(dòng)化和晶圓清洗。對(duì)于小于10μm的最小裸片來(lái)說(shuō)，這點(diǎn)尤其正確！

同時(shí)，隨著消費(fèi)類應(yīng)用大量采用垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）和邊緣發(fā)射激光器（EEL），激光二極管為外延設(shè)備市場(chǎng)提供了一個(gè)新興的增長(zhǎng)機(jī)遇。

相比之下，微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）產(chǎn)業(yè)是整個(gè)外延設(shè)備的一個(gè)利基市場(chǎng)，因?yàn)樗鼈兊纳a(chǎn)能力已經(jīng)非常成熟。

MOCVD設(shè)備市場(chǎng)可能會(huì)受到激光二極管、microLED和VCSEL等化合物半導(dǎo)體器件向分子束外延（MBE）技術(shù)過(guò)渡的影響。事實(shí)上，MBE可以在VCSEL產(chǎn)量和均勻性方面帶來(lái)更大的優(yōu)勢(shì)，也可以在高頻5G射頻應(yīng)用方面帶來(lái)更大的優(yōu)勢(shì)。

就碳化硅功率器件而言，MOCVD制造商正試圖開(kāi)發(fā)新型MOCVD技術(shù)，以應(yīng)對(duì)主要使用高溫CVD的碳化硅市場(chǎng)。

顛覆性的非硅基器件引領(lǐng)更具競(jìng)爭(zhēng)力的外延生長(zhǎng)前景

外延生長(zhǎng)應(yīng)用及機(jī)遇

非硅基襯底類型 vs.超越摩爾器件應(yīng)用

從競(jìng)爭(zhēng)格局來(lái)看，外延設(shè)備市場(chǎng)被三個(gè)不同類別的外延設(shè)備制造商占據(jù)：

（1）頂級(jí)半導(dǎo)體設(shè)備供應(yīng)商，例如來(lái)自硅基器件前端制造工藝領(lǐng)域的東京電子（Tokyo Electron）和應(yīng)用材料（Advanced Materials），提供為外延工藝優(yōu)化的CVD設(shè)備，但他們通常不在MOCVD領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)。

（2）專業(yè)的MOCVD設(shè)備供應(yīng)商，例如愛(ài)思強(qiáng)（AIXTRON）、維易科（Veeco）和中微半導(dǎo)體（AMEC），他們分別開(kāi)發(fā)了專門用于固態(tài)照明的設(shè)備。

（3）來(lái)自功率半導(dǎo)體領(lǐng)域的碳化硅產(chǎn)業(yè)或高水平射頻應(yīng)用的設(shè)備供應(yīng)商，提供高溫CVD設(shè)備，例如LPE或Nuflare，以及開(kāi)發(fā)專用MBE設(shè)備的供應(yīng)商，例如Riber。

2018年，三家設(shè)備制造商占據(jù)了外延設(shè)備市場(chǎng)近60%的份額。AIXTRON是砷化鎵市場(chǎng)的領(lǐng)頭羊，在激光二極管和砷化鎵LED方面具有強(qiáng)大的地位。AMEC在砷化鎵LED方面的地位也較好?？紤]到中美知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）糾紛的復(fù)雜關(guān)系，Veeco在中國(guó)的市場(chǎng)份額已經(jīng)被AMEC搶走。隨著貿(mào)易壁壘和額外稅收的增加，這種情形可能會(huì)繼續(xù)下去，從而嚴(yán)重影響Veeco的市場(chǎng)份額，降低Veeco在中國(guó)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

外延設(shè)備供應(yīng)商競(jìng)爭(zhēng)格局

2018年全球主要外延設(shè)備供應(yīng)商的市場(chǎng)份額