VCSEL和創新LED推動磊晶設備市場成長

作者 : Yole Développement

化合物半導體磊晶晶圓正向「超越摩爾定律」產業邁進,特別是在VCSEL和創新型LED元件推動下,磊晶設備市場預計在接下來的5年快速成長…

根據Yole Développement的調查報告,用於「超越摩爾定律」(More than Moore)元件的磊晶(epitaxy)生長設備市場在2019年達到了近9.4億美元的市場規模,而且在樂觀估計下,預計到2025年將超過60億美元。

Yole, epitaxy_equipment_market, 2019-2025

2019-2025年More than Moore元件的磊晶設備市場規模(以技術類別計)
(來源:Yole Développement, 2020)

從技術角度來說,III-V族化合物半導體磊晶產業——如基於砷化鎵(GaAs)和氮化鎵(GaN)的元件,主要採用金屬有機化學氣相沉積(MOCVD),而高溫(HT)化學氣相沉積(CVD)則服務於大多數主流矽基元件和碳化矽(SiC)元件。

Yole在其最新發佈的技術與市場報告《用於超越摩爾定律元件的磊晶生長設備》(Epitaxy Growth Equipment for More Than Moore Devices)中分析矽基和非矽基應用,探索「超越摩爾定律」應用以及相關設備的磊晶半導體基底。此外,報告中還包含市場的競爭局勢和主要磊晶設備供應商的市佔率。

半導體產業傳統上主要以矽基底為導向,儘管矽至今為止仍以80%的市佔率為主導,非矽基的其他基底選項在「超越摩爾定律」產業中的發展態勢逐漸增強,如GaAs、GaN、SiC和磷化銦(InP)。當面對嚴苛要求而矽解決方案無法提供所需性能時,新的應用就出現了。因此,半導體廠商開始考慮創新型基底材料。

首先,繼矽基底之後,GaN材料代表主要的磊晶市場,這主要受到了傳統LED GaN元件的推動。不過,整個LED產業目前正增強活動的多樣性,向更專用型的GaAs基底UV和IR LED轉變。此外,LED製造商們正開發新型LED,持續在消費顯示器中創造價值,例如miniLED和microLED。蘋果(Apple)也開始朝這個方向發展,在其較高階的2021新款智慧型手錶中採用此類元件。最好的情況是,microLED也能擴展到智慧型手機產品,因而重塑epi-ready的晶圓市場。

另一方面,諸如SiC基底等寬能隙(WBG)材料已經在功率電子市場中找到了機會。在此市場中,交通運輸、再生能源、馬達驅動以及一些供電應用都需要降低功耗。儘管SiC市場價格較高,此類基底對於高壓應用而言還是一項強大的優勢,因而被視為某些MOSFET和二極體產品的技術選擇。

展望未來,像VCSEL這一類在IR波譜中運作而且通常用於GaAs進行處理的光電產品(雷射二極體)正積極進入磊晶生長市場。此外,GaAs對於小型基地台安裝這樣的RF產品特別有優勢,包括sub-6Ghz的頻段和28GHz-39GHz頻段中的首批毫米波(mmWave)小型基地台。因此,隨著手機從4G向5G過渡,預期GaAs將取代CMOS佔據sub-6Ghz頻段的主流技術地位。針對天線的板空間縮小、載波聚合(CA)以及MIMO技術帶來不斷成長的功率和線性要求,這也是足以滿足所有要求的唯一技術。

Yole, epitaxy-ready app

2019-2025年epi-ready晶圓需求預測(以應用類別計)
(來源:Yole Développement, 2020)

如何選擇合適的基底技術將大幅取決於與元件要求相關的技術性能,以及成本。Yole半導體製造技術與市場分析師Amandine Pizzagalli表示,「至今為止,磊晶生長設備市場主要由LED和功率應用驅動。事實上,在中國的大量分公司導致LED的產能過剩。相較於實際產量,MOCVD市場目前處於GaN LED產能嚴重過剩的狀態。再接下來幾年,MOCVD市場的投資尤其難以預測,而且可能每年都會改變。如果政府決定嚴格防止LED製造商生產更多GaN晶圓,那麼就可能逆轉這種情況。」

對於傳統基於LED GaN的元件而言,MOCVD投資趨勢並不會和LED晶圓的需求保持一致。LED GaN元件可能會出現一定的上升和下降走勢,就像過去出現過的一樣。儘管如此,由於近期中國的競爭趨勢,照明和背光市場整體變得商品化了。因此,磊晶供應商們並不期待這些市場會在未來帶來顯著收益。

然而,在缺陷和均勻性方面,對於microLED磊晶的要求比對傳統LED更嚴苛。在工具和設備方面的改進都有可靠的發展藍圖,以使大於1微米的缺陷達到約 0.1defects/cm2或更低的每平方釐米缺陷率。相較於傳統LED製造,無塵室需要更嚴格的操作條件,包括自動化和晶圓清潔。特別是對於小於10微米的最小裸晶,其致命缺陷較小,無塵室的要求也更為嚴格。同時,隨著消費品產業大規模採用邊緣發射雷射和VCSEL,雷射二極體展現出更快速的成長機會。

相形之下,MEMS產業是整個磊晶生長設備市場中的小型利基市場,其產能已非常成熟了。對於基於化合物半導體的元件,如雷射二極體、microLED和VCSEL,向分子束磊晶(MBE)的潛在技術過渡可能會影響到 MOCVD反應器市場。事實上,MBE不僅可為VCSEL的良率和一致性方面帶來更大優勢,對於高頻5G RF應用來說也是如此。

在SiC功率方面,MOCVD製造商正致力於尋找並開發新型MOCVD技術,以因應佔據最多HT CVD應用的SiC市場。

發表評論