LED涼涼，MOCVD廠商的出路在何方？

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，多家半導(dǎo)體設(shè)備廠商正在開(kāi)發(fā)或增加新型金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）技術(shù)，期望在MOCVD應(yīng)用的下一波熱潮到來(lái)前做好充足準(zhǔn)備。

目前市場(chǎng)上的MOCVD設(shè)備廠商，如Aixtron（愛(ài)思強(qiáng)）、AMEC（中微半導(dǎo)體）和Veeco（維易科），競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)非常激烈。2020年，MOCVD設(shè)備廠商正在尋求新的增長(zhǎng)點(diǎn)，盡管整體商業(yè)環(huán)境陰云密布。

MOCVD系統(tǒng)是制造激光器、LED、光電元件、功率/射頻器件和太陽(yáng)能電池的關(guān)鍵設(shè)備之一，已經(jīng)商用多年。MOCVD系統(tǒng)主要用于芯片表面的薄膜單晶層沉積，也常用于器件的三五族化合物半導(dǎo)體材料沉積，例如磷化銦（InP）、砷化鎵（GaAs）和氮化鎵（GaN）。

LED產(chǎn)業(yè)是MOCVD設(shè)備的最大市場(chǎng)，但該領(lǐng)域近期并不景氣。因此，MOCVD設(shè)備廠商不得不轉(zhuǎn)移精力到其它應(yīng)用領(lǐng)域。Veeco產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)高級(jí)經(jīng)理Ronald Arif說(shuō)道：“例如，3D人臉識(shí)別（Face ID）帶來(lái)的垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）熱潮已經(jīng)到來(lái)！目前，我們正在尋找另一個(gè)潛在爆發(fā)點(diǎn)，那就是MiniLED和MicroLED?！?/p>

用于下一代顯示器的MicroLED和MiniLED都是如今LED的“較小版本”。所有LED的工作原理都是將電轉(zhuǎn)換為光。同時(shí)，VCSEL是智能手機(jī)Face ID的關(guān)鍵光源。Face ID用于識(shí)別手機(jī)用戶人臉并進(jìn)行解鎖。此外，MOCVD還為基于GaN襯底的射頻器件和功率半導(dǎo)體器件的實(shí)現(xiàn)提供了可能。

看起來(lái)增長(zhǎng)動(dòng)力源眾多，但實(shí)際上MOCVD設(shè)備市場(chǎng)情況好壞參半。在經(jīng)歷了2019年的增長(zhǎng)放緩之后，MOCVD廠商正在尋求2020年的反彈，但復(fù)蘇還尚需時(shí)日。Gartner分析師Bob Johnson表示，預(yù)計(jì)2020年MOCVD設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模為4.45億美元，低于2019年的4.65億美元。

低迷的商業(yè)環(huán)境和其它因素正在影響著MOCVD市場(chǎng)。促進(jìn)MOCVD市場(chǎng)增長(zhǎng)最快的細(xì)分市場(chǎng)是電力電子、VCSEL和相關(guān)產(chǎn)品。美國(guó)投資公司Stifel Nicolaus的分析師Patrick Ho認(rèn)為：“我估計(jì)市場(chǎng)規(guī)?？赡茉?億至2.5億美元之間。很難說(shuō)會(huì)增長(zhǎng)多少，因?yàn)樵撔袠I(yè)仍在努力處理一些過(guò)剩庫(kù)存?！?/p>

何為MOCVD？

1968年，北美航空公司（羅克韋爾公司的前身）發(fā)明了MOCVD。早期的MOCVD設(shè)備只供內(nèi)部使用，用于在襯底上生長(zhǎng)三五族材料。

第一臺(tái)對(duì)外銷(xiāo)售的MOCVD系統(tǒng)出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代。如今，MOCVD已經(jīng)發(fā)展成為市場(chǎng)上幾種沉積技術(shù)的重要成員。沉積指在芯片表面上形成一層材料或薄膜的過(guò)程。

針對(duì)不同應(yīng)用，分別有不同沉積設(shè)備類(lèi)型。多年以來(lái)，芯片制造商一直在使用化學(xué)氣相沉積（CVD）來(lái)制造晶圓廠的邏輯器件和存儲(chǔ)器件。在CVD設(shè)備中，氣態(tài)前體化學(xué)物質(zhì)流入裝載了硅晶圓的工藝腔體。這些氣態(tài)前體在晶圓表面發(fā)生反應(yīng)，形成所需的薄膜，同時(shí)副產(chǎn)物將從腔體中抽走?！盠am Research（泛林半導(dǎo)體）沉積產(chǎn)品組技術(shù)總監(jiān)Dennis Hausmann在博客中介紹。

物理氣相沉積（PVD）是在表面形成薄膜的一種物理方式。原子層沉積（ALD）是將物質(zhì)以單原子膜形式一層一層沉積在表面的工藝方式。

MOCVD與其它沉積類(lèi)型（如CVD）不同，可能并不為人所知或理解。CVD設(shè)備采用帶有氣源的反應(yīng)器，相同的反應(yīng)器可用于MOCVD設(shè)備，但MOCVD使用的是金屬有機(jī)源。

簡(jiǎn)而言之，將晶圓裝載到MOCVD系統(tǒng)中，然后將純凈氣體輸入反應(yīng)器中。氣流由化學(xué)前體組成，并在反應(yīng)器中分解。該化學(xué)反應(yīng)使芯片的晶體層得以生長(zhǎng)。因此這個(gè)過(guò)程被稱為“外延”，即在襯底上沉積薄膜。

MOCVD也可以用于三五族材料?！叭绻榭从蒑OCVD系統(tǒng)生成的材料體系，主要分為兩類(lèi)材料。其中一類(lèi)是基于GaN。這就是藍(lán)寶石上的氮化鎵（GaN-on-Sapphire），碳化硅上的氮化鎵（GaN-on-SiC）和硅上氮化鎵（GaN-on-Si）?！盫eeco的Arif解釋。第二類(lèi)是基于磷化砷（AsP），其中包括砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP）?！斑@分別是用于VCSEL和邊緣發(fā)射激光器（EEL）的材料。而MiniLED和MicroLED的襯底材料則都會(huì)涉及，紅光采用AsP，藍(lán)綠光采用GaN。”

每家MOCVD廠商提供的設(shè)備的薄膜生長(zhǎng)方式各有差異。例如，Aixtron的MOCVD設(shè)備采用水平層流式。Veeco的MOCVD系統(tǒng)使用另一種稱為“TurboDisc”的技術(shù)。在該系統(tǒng)中，晶圓高速旋轉(zhuǎn)?！癟urboDisc”技術(shù)在真空環(huán)境中實(shí)現(xiàn)層狀垂直氣體注入和承載盤(pán)高速旋轉(zhuǎn)，從而能夠以良好的均勻性進(jìn)行外延生長(zhǎng)。

Veeco的最新系統(tǒng)稱為L(zhǎng)umina MOCVD平臺(tái)，包括兩個(gè)型號(hào)。主要面向EEL、mini/MicroLED和VCSEL。該系統(tǒng)能夠在最大直徑達(dá)150 mm的晶圓上沉積AsP外延層。Veeco的系統(tǒng)能夠在同一平臺(tái)上處理多個(gè)不同的工藝菜單。其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手Aixtron也正在研究類(lèi)似的系統(tǒng)。

從LED，到MiniLED，到microLED

LED的歷史可以追溯到1962年，當(dāng)時(shí)通用電氣（GE）使用早期的外延工藝開(kāi)發(fā)了第一顆可見(jiàn)光LED。此后，MOCVD被用于制造LED。

LED是PN二極管，它將電轉(zhuǎn)換為光。LED有單色和多色之分。RGB（紅綠藍(lán)）LED非常流行。LED用于LCD顯示器、廣告牌、消費(fèi)電子產(chǎn)品和固態(tài)照明等的背光。

LED是在LED晶圓廠中完成。首先，選擇藍(lán)寶石或SiC襯底。使用MOCVD設(shè)備在襯底上沉積GaN。然后，該結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)一系列圖案化、沉積和蝕刻等工藝步驟。

LED熱潮出現(xiàn)在本世紀(jì)的最初十年，那時(shí)固態(tài)照明市場(chǎng)開(kāi)始騰飛。LED燈泡之所以有吸引力，是因?yàn)樗鼈儽葌鹘y(tǒng)白熾燈泡的功耗低很多。

固態(tài)照明的主要發(fā)光器件

（來(lái)源：《固態(tài)照明光源行業(yè)現(xiàn)狀-2019版》）

但是，在此期間許多中國(guó)LED企業(yè)進(jìn)入，隨后建立了產(chǎn)能過(guò)剩的晶圓廠。到2010年，LED市場(chǎng)陷入供過(guò)于求的尷尬局面，導(dǎo)致LED價(jià)格暴跌。當(dāng)時(shí)，中國(guó)政府向本國(guó)LED制造商發(fā)放補(bǔ)貼，以支持其購(gòu)買(mǎi)MOCVD設(shè)備。LED供應(yīng)商購(gòu)買(mǎi)的設(shè)備過(guò)多，也是導(dǎo)致市場(chǎng)上MOCVD系統(tǒng)供過(guò)于求的原因。如今，在中國(guó)，情況還未得到改善?！爸袊?guó)的大量補(bǔ)貼積累了過(guò)多的LED產(chǎn)能。MOCVD市場(chǎng)目前還深陷于GaN LED產(chǎn)能?chē)?yán)重過(guò)剩的狀況?！盰ole分析師Amandine Pizzagalli表示。

在中國(guó)，商業(yè)級(jí)LED業(yè)務(wù)的MOCVD設(shè)備由一家中國(guó)廠商——中微半導(dǎo)體主宰。Stifel Nicolaus的分析師Patrick Ho表示：“商業(yè)級(jí)LED市場(chǎng)已經(jīng)被中微半導(dǎo)體所壟斷，在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，已不太可能改變?！?/p>

盡管如此，除了LED以外，MOCVD還有一些全新且潛在的巨大機(jī)會(huì)。數(shù)十家公司正在研究?jī)煞N相關(guān)技術(shù)，分別稱為MicroLED和MiniLED。蘋(píng)果、臉書(shū)（Facebook）、三星和臺(tái)積電只是眾多開(kāi)發(fā)MicroLED技術(shù)公司中的幾家代表。

MiniLED是傳統(tǒng)LED的“較小版本”，尺寸為100um及以上。與LED一樣，MiniLED的目標(biāo)應(yīng)用是顯示器的背光。在研發(fā)中的MicroLED是LED的“微觀版本”，尺寸小于100um，估計(jì)是傳統(tǒng)LED的百分之一。MicroLED是自發(fā)光型，無(wú)需背光。從理論上講，與現(xiàn)有市場(chǎng)上的顯示器相比，使用MicroLED的顯示器可提供更多的色彩和更高的亮度，并且功耗更低。

MicroLED主要適用于兩種顯示類(lèi)型。Aixtron總經(jīng)理Bernd Schulte在最近的一次電話會(huì)議上表示：“在MicroLED的開(kāi)發(fā)方面，我們看到行業(yè)在MicroLED顯示器的商業(yè)化方面取得了良好的進(jìn)展，無(wú)論是超大型顯示器還是超小型可穿戴設(shè)備顯示器?！?/p>

但是MicroLED面臨一些挑戰(zhàn)。例如，一臺(tái)高清電視需要600萬(wàn)顆MicroLED。因此，在晶圓廠必須制造600萬(wàn)顆MicroLED，再將其轉(zhuǎn)移到電視機(jī)背板上。使用MicroLED技術(shù)制造微型顯示器同樣也是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。

有多種制造MicroLED的方法。以一種流程為例，第一步是在基板上制造各種MicroLED，需要使用MOCVD設(shè)備在襯底上沉積GaN或其它材料。這是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的過(guò)程。Veeco的Arif說(shuō)：“缺陷和波長(zhǎng)均勻性是主要挑戰(zhàn)?！?/p>

MOCVD的另一挑戰(zhàn)是要在多片晶圓上生長(zhǎng)出均勻且高質(zhì)量的外延層。外延良率的高低是決定顯示器像素壞點(diǎn)多少的關(guān)鍵參數(shù)。

“在MicroLED器件級(jí)別，外延工藝控制能力尤為重要，需確保沒(méi)有顆粒、凹坑和劃痕等影響良率的缺陷?！盞LA（科磊半導(dǎo)體）高級(jí)市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)總監(jiān)Steve Hiebert說(shuō)，“在線檢測(cè)和量測(cè)對(duì)外延工藝非常重要，對(duì)后續(xù)工藝的高良率和均勻性也非常關(guān)鍵。外延完成后，在MicroLED芯片形成時(shí)，圖像缺陷對(duì)良率有直接影響。其中主要挑戰(zhàn)是MicroLED芯片尺寸小和復(fù)雜結(jié)構(gòu)。對(duì)于MicroLED而言，尺寸比傳統(tǒng)LED小一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)，從而推動(dòng)了能夠檢測(cè)較小亞微米級(jí)缺陷的高靈敏度圖案化晶圓檢測(cè)技術(shù)。”

MicroLED典型工藝流片良率

（來(lái)源：《MicroLED顯示技術(shù)與市場(chǎng)-2019版》）

同時(shí)，在MOCVD工藝后，所得到的是有多顆MicroLED的結(jié)構(gòu)。然后，切割成單顆MicroLED，進(jìn)行測(cè)試，再使用巨量轉(zhuǎn)移（mass-transfer）技術(shù)將其轉(zhuǎn)移到背板上。有多種方法可以將MicroLED轉(zhuǎn)移到背板上，但無(wú)一不充滿挑戰(zhàn)性。

所有步驟都需要各種過(guò)程控制措施。數(shù)碼光學(xué)科技公司Cyber Optics總經(jīng)理兼首席執(zhí)行官Subodh Kulkarni表示：“最重要的是在整個(gè)過(guò)程的每個(gè)步驟采取有效的檢測(cè)和量測(cè)，才能獲得高良率。六個(gè)關(guān)鍵步驟包括柔性電路的進(jìn)料質(zhì)量檢查、錫膏檢查、回流前和回流后的自動(dòng)化光學(xué)檢查（AOI）、LED放置后的坐標(biāo)測(cè)量以及最終測(cè)試?！?/p>

總之，MicroLED還未為進(jìn)入黃金時(shí)代做好準(zhǔn)備。該行業(yè)仍然需要更多的創(chuàng)新。

3D傳感市場(chǎng)的騰飛

VCSEL也是熱門(mén)技術(shù)。VCSEL屬于半導(dǎo)體激光二極管，從頂部表面垂直發(fā)射出光束。VCSEL由多層結(jié)構(gòu)組成。有源區(qū)夾于兩個(gè)分布式布拉格反射器（DBR）反射鏡之間。典型的VCSEL由60到70層組成，總結(jié)構(gòu)厚度約為10um。

典型VCSEL器件的橫截面示意圖（來(lái)源：II-VI）

Veeco的Arif解釋說(shuō)：“諧振腔的底部和頂部是DBR反射鏡，中間是有源區(qū)。有源區(qū)發(fā)光，并多次被頂層和底層來(lái)回反射。每次通過(guò)有源層時(shí)，光束都會(huì)放大。在某個(gè)點(diǎn)上，放大率高到足以克服反射鏡的反射率，從而發(fā)出激光束?！?/p>

GaAs是VCSEL的主要襯底材料。“在典型的商業(yè)級(jí)VCSEL結(jié)構(gòu)中，一種結(jié)構(gòu)采用了GaAs、銦鎵砷（InGaAs）、鎵砷磷（GaAsP）和鋁鎵砷（AlGaAs）等化合物?！盇rif說(shuō)，“VCSEL有源區(qū)就是我們所說(shuō)的多量子阱結(jié)構(gòu)。由GaAs、AlGaAs或GaAsP量子勢(shì)壘，與InGaAs阱形成三明治結(jié)構(gòu)的多量子阱?！?/p>

使用MOCVD來(lái)開(kāi)發(fā)多層結(jié)構(gòu)。關(guān)鍵尺寸（CD）控制和均勻性至關(guān)重要。另一個(gè)問(wèn)題這是成本。Aixtron的Schulte說(shuō)：“我們的客戶面臨降低高端器件（如VCSEL）成本的壓力將會(huì)越來(lái)越大?！?/p>

VCSEL由霍尼韋爾（Honeywell）于1996年商業(yè)化，最初用于鼠標(biāo)和其它個(gè)人電腦的外圍設(shè)備。然后，在2004年，菲尼薩（Finisar）收購(gòu)了霍尼韋爾的VCSEL部門(mén)，并將該技術(shù)拓展到網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。很長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)，VCSEL被用作運(yùn)營(yíng)商數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備光纖與銅纜接口的光源。

2017年，當(dāng)蘋(píng)果（Apple）在iPhone X中采用VCSEL實(shí)現(xiàn)3D傳感功能，就為3D傳感應(yīng)用鋪平了道路，VCSEL產(chǎn)業(yè)從而走上高速發(fā)展之路！iPhone X中有三個(gè)傳感模塊用到了VCSEL，分別是點(diǎn)陣投影器、泛光照明器和ToF接近傳感器（相關(guān)報(bào)告：《蘋(píng)果iPhone X的ToF接近傳感器和泛光照明器》、《蘋(píng)果iPhone X紅外點(diǎn)陣投影器》）。首先，點(diǎn)陣投影器會(huì)在物體上產(chǎn)生超過(guò)30000個(gè)的紅外光點(diǎn)。紅外光從物體反射回來(lái)，創(chuàng)建3D數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)被傳遞到處理芯片以進(jìn)行人臉識(shí)別并完成身份驗(yàn)證，從而解鎖手機(jī)。

消費(fèi)級(jí)3D傳感應(yīng)用帶動(dòng)VCSEL市場(chǎng)快速增長(zhǎng)

（來(lái)源：《VCSEL市場(chǎng)與技術(shù)趨勢(shì)-2019版》）

多家智能手機(jī)OEM廠商也在開(kāi)發(fā)具有3D傳感功能的手機(jī)（相關(guān)報(bào)告：《智能手機(jī)應(yīng)用的VCSEL對(duì)比分析》）。此外，VCSEL正在進(jìn)入其它應(yīng)用領(lǐng)域。隸屬于聯(lián)華電子新業(yè)務(wù)部門(mén)的三五族半導(dǎo)體代工廠Wavetek的首席技術(shù)官Barry Lin分析：“未來(lái)，VCSEL還可以在汽車(chē)、工業(yè)、游戲和軍事領(lǐng)域得到應(yīng)用。此外，一種為成像和顯示應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的微型VCSEL正在研發(fā)中?！?/p>

Lin列出了VCSEL的許多新興應(yīng)用。包括：（1）汽車(chē)：激光雷達(dá)（LiDAR）、車(chē)內(nèi)傳感；（2）工業(yè)：機(jī)器人、原子鐘；（3）軍事：陀螺儀系統(tǒng)；（4）游戲：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)（AR/VR）。

成長(zhǎng)中的GaN產(chǎn)業(yè)

MOCVD的另一個(gè)巨大市場(chǎng)就是GaN，這是一種三五族材料。與硅相比，GaN的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度是硅的十倍，電子數(shù)量是其兩倍。

多年來(lái)，GaN已用于生產(chǎn)LED、功率半導(dǎo)體和射頻器件。Lin說(shuō)：“由于其禁帶寬度大，擊穿電場(chǎng)非常高，GaN可以用于電子或光子學(xué)器件中。另一個(gè)特點(diǎn)是其遷移率高。事實(shí)表明，GaN的功率管理轉(zhuǎn)換效率非常高。射頻應(yīng)用的頻段也要達(dá)到很高?！?/p>

GaN作為一種新興半導(dǎo)體襯底材料，已在多個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用

（來(lái)源：《新興半導(dǎo)體襯底技術(shù)及市場(chǎng)趨勢(shì)-2019版》）

每種產(chǎn)品采用不同的制備流程。在基于GaN的功率半導(dǎo)體制備流程中，氮化鋁（AlN）薄層沉積在襯底上。使用MOCVD在AlN層上生長(zhǎng)GaN層，在GaN層上形成源極、柵極和漏極。

“對(duì)于MOCVD來(lái)講，GaN面臨的挑戰(zhàn)與AsP差異不大。在性能方面，諸如均勻性、材料質(zhì)量、缺陷率、界面清晰度和摻雜物濃度等至關(guān)重要?！盫eeco的Arif說(shuō)道。

基于GaN的射頻器件正廣泛用于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的基站。在基站中，RF GaN專門(mén)于功率放大器。但是基于GaN的功率放大器面臨著現(xiàn)有技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)。傳統(tǒng)基站使用的是基于橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體（LDMOS）器件的射頻功率放大器。

“碳化硅（SiC）上GaN（SiC-GaN）卓越的功率和效率性能正在讓工程師和設(shè)計(jì)師擺脫硅材料的束縛。GaN器件具有功率密度高和工作頻率高的優(yōu)勢(shì)，可以減小系統(tǒng)的尺寸并減輕重量，從而提高多種應(yīng)用的系統(tǒng)性能。隨著5G革命對(duì)數(shù)據(jù)速率和帶寬要求呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，推動(dòng)了GaN市場(chǎng)爆炸性增長(zhǎng)，SiC-GaN是支持該技術(shù)的最佳材料?！盬olfspeed的射頻產(chǎn)品副總裁兼總經(jīng)理Gerhard Wolf說(shuō)。

此外，GaN還用于功率半導(dǎo)體。基于GaN的功率半導(dǎo)體正與IGBT、功率MOSFET和SiC功率器件競(jìng)爭(zhēng)。GaN與SiC相比，兩者都是寬帶隙材料，這意味著它們比基于硅材料的IGBT和功率MOSFET更高效。

2018年~2030年功率GaN市場(chǎng)的長(zhǎng)期發(fā)展趨勢(shì)

（來(lái)源：《功率氮化鎵（GaN）：外延、器件、應(yīng)用及技術(shù)趨勢(shì)-2019版》）

“在許多方面，GaN的潛力比SiC還大。由于其在高頻下的卓越性能，非常適合于快速充電解決方案的批量應(yīng)用。此外，GaN還有可能集成到硅基技術(shù)中?！盠am Research戰(zhàn)略行銷(xiāo)董事總經(jīng)理David Haynes說(shuō)。

“但是，從技術(shù)角度來(lái)看，GaN的成熟度仍低于SiC。如果人們考慮使用GaN-on-silicon HEMT（硅上氮化鎵高電子遷移率晶體管）技術(shù)，由于GaN-on-silicon的MOCVD生長(zhǎng)質(zhì)量問(wèn)題未完全得到解決，良率仍然是個(gè)問(wèn)題。器件性能和可靠性也面臨挑戰(zhàn)，這與HEMT制造工藝密切相關(guān)?！?/p>

結(jié)論

顯然，MOCVD是一項(xiàng)重要技術(shù)，已經(jīng)受到各種應(yīng)用的密切關(guān)注。盡管多年來(lái)它主要與LED聯(lián)系在一起。而現(xiàn)在，沉積技術(shù)為一些新興應(yīng)用鋪平了道路。

與大多數(shù)設(shè)備廠商一樣，MOCVD廠商在2020年將面臨充滿挑戰(zhàn)的商業(yè)環(huán)境。但可以肯定的是，Aixtron、AMEC、Veeco以及其它公司將可能為新興應(yīng)用而戰(zhàn)。MOCVD的戰(zhàn)爭(zhēng)或許才剛剛拉開(kāi)帷幕。