VCSEL和創新LED推動磊晶設備市場成長
2020-03-31
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。
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。
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。
