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

目前市場上的MOCVD設(shè)備廠商，如Aixtron（愛思強）、AMEC（中微半導(dǎo)體）和Veeco（維易科），競爭已經(jīng)非常激烈。2020年，MOCVD設(shè)備廠商正在尋求新的增長點，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，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)品營銷高級經(jīng)理Ronald Arif說道：“例如，3D人臉識別（Face ID）帶來的垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）熱潮已經(jīng)到來！目前，我們正在尋找另一個潛在爆發(fā)點，那就是MiniLED和MicroLED。”

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，VCSEL是智能手機Face ID的關(guān)鍵光源。Face ID用于識別手機用戶人臉并進行解鎖。此外，MOCVD還為基于GaN襯底的射頻器件和功率半導(dǎo)體器件的實現(xiàn)提供了可能。

看起來增長動力源眾多，但實際上MOCVD設(shè)備市場情況好壞參半。在經(jīng)歷了2019年的增長放緩之后，MOCVD廠商正在尋求2020年的反彈，但復(fù)蘇還尚需時日。Gartner分析師Bob Johnson表示，預(yù)計2020年MOCVD設(shè)備市場規(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。促進MOCVD市場增長最快的細分市場是電力電子、VCSEL和相關(guān)產(chǎn)品。美國投資公司Stifel Nicolaus的分析師Patrick Ho認為：“我估計市場規(guī)模可能在2億至2.5億美元之間。很難說會增長多少，因為該行業(yè)仍在努力處理一些過剩庫存。”

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，用于在襯底上生長三五族材料。

第一臺對外銷售的MOCVD系統(tǒng)出現(xiàn)在20世紀80年代。如今，MOCVD已經(jīng)發(fā)展成為市場上幾種沉積技術(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程。

針對不同應(yīng)用，分別有不同沉積設(shè)備類型。多年以來，芯片制造商一直在使用化學氣相沉積（CVD）來制造晶圓廠的邏輯器件和存儲器件。在CVD設(shè)備中，氣態(tài)前體化學物質(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，同時副產(chǎn)物將從腔體中抽走。”Lam 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使用的是金屬有機源。

簡而言之，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。氣流由化學前體組成，并在反應(yīng)器中分解。該化學反應(yīng)使芯片的晶體層得以生長。因此這個過程被稱為“外延”，即在襯底上沉積薄膜。

MOCVD也可以用于三五族材料。“如果您查看由MOCVD系統(tǒng)生成的材料體系，主要分為兩類材料。其中一類是基于GaN。這就是藍寶石上的氮化鎵（GaN-on-Sapphire），碳化硅上的氮化鎵（GaN-on-SiC）和硅上氮化鎵（GaN-on-Si）。”Veeco的Arif解釋。第二類是基于磷化砷（AsP），其中包括砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP）。“這分別是用于VCSEL和邊緣發(fā)射激光器（EEL）的材料。而MiniLED和MicroLED的襯底材料則都會涉及，紅光采用AsP，藍綠光采用GaN。”

每家MOCVD廠商提供的設(shè)備的薄膜生長方式各有差異。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)。“TurboDisc”技術(shù)在真空環(huán)境中實現(xiàn)層狀垂直氣體注入和承載盤高速旋轉(zhuǎn)，從而能夠以良好的均勻性進行外延生長。

Veeco的最新系統(tǒng)稱為Lumina MOCVD平臺，包括兩個型號。主要面向EEL、mini/MicroLED和VCSEL。該系統(tǒng)能夠在最大直徑達150 mm的晶圓上沉積AsP外延層。Veeco的系統(tǒng)能夠在同一平臺上處理多個不同的工藝菜單。其競爭對手Aixtron也正在研究類似的系統(tǒng)。

從LED，到MiniLED，到microLED

LED的歷史可以追溯到1962年，當時通用電氣（GE）使用早期的外延工藝開發(fā)了第一顆可見光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）LED非常流行。LED用于LCD顯示器、廣告牌、消費電子產(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)在本世紀的最初十年，那時固態(tài)照明市場開始騰飛。LED燈泡之所以有吸引力，是因為它們比傳統(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LED企業(yè)進入，隨后建立了產(chǎn)能過剩的晶圓廠。到2010年，LED市場陷入供過于求的尷尬局面，導(dǎo)致LED價格暴跌。當時，中國政府向本國LED制造商發(fā)放補貼，以支持其購買MOCVD設(shè)備。LED供應(yīng)商購買的設(shè)備過多，也是導(dǎo)致市場上MOCVD系統(tǒng)供過于求的原因。如今，在中國，情況還未得到改善。“中國的大量補貼積累了過多的LED產(chǎn)能。MOCVD市場目前還深陷于GaN LED產(chǎn)能嚴重過剩的狀況。”Yole分析師Amandine Pizzagalli表示。

在中國，商業(yè)級LED業(yè)務(wù)的MOCVD設(shè)備由一家中國廠商——中微半導(dǎo)體主宰。Stifel Nicolaus的分析師Patrick Ho表示：“商業(yè)級LED市場已經(jīng)被中微半導(dǎo)體所壟斷，在可預(yù)見的未來，已不太可能改變。”

盡管如此，除了LED以外，MOCVD還有一些全新且潛在的巨大機會。數(shù)十家公司正在研究兩種相關(guān)技術(shù)，分別稱為MicroLED和MiniLED。蘋果、臉書（Facebook）、三星和臺積電只是眾多開發(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，估計是傳統(tǒng)LED的百分之一。MicroLED是自發(fā)光型，無需背光。從理論上講，與現(xiàn)有市場上的顯示器相比，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型。Aixtron總經(jīng)理Bernd Schulte在最近的一次電話會議上表示：“在MicroLED的開發(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展，無論是超大型顯示器還是超小型可穿戴設(shè)備顯示器。”

但是MicroLED面臨一些挑戰(zhàn)。例如，一臺高清電視需要600萬顆MicroLED。因此，在晶圓廠必須制造600萬顆MicroLED，再將其轉(zhuǎn)移到電視機背板上。使用MicroLED技術(shù)制造微型顯示器同樣也是一項艱巨的任務(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。這是一個具有挑戰(zhàn)性的過程。Veeco的Arif說：“缺陷和波長均勻性是主要挑戰(zhàn)。”

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

“在MicroLED器件級別，外延工藝控制能力尤為重要，需確保沒有顆粒、凹坑和劃痕等影響良率的缺陷。”KLA（科磊半導(dǎo)體）高級市場營銷總監(jiān)Steve Hiebert說，“在線檢測和量測對外延工藝非常重要，對后續(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，圖像缺陷對良率有直接影響。其中主要挑戰(zhàn)是MicroLED芯片尺寸小和復(fù)雜結(jié)構(gòu)。對于MicroLED而言，尺寸比傳統(tǒng)LED小一到兩個數(shù)量級，從而推動了能夠檢測較小亞微米級缺陷的高靈敏度圖案化晶圓檢測技術(shù)。”

MicroLED典型工藝流片良率

（來源：《MicroLED顯示技術(shù)與市場-2019版》）

同時，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，進行測試，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，但無一不充滿挑戰(zhàn)性。

所有步驟都需要各種過程控制措施。數(shù)碼光學科技公司Cyber Optics總經(jīng)理兼首席執(zhí)行官Subodh Kulkarni表示：“最重要的是在整個過程的每個步驟采取有效的檢測和量測，才能獲得高良率。六個關(guān)鍵步驟包括柔性電路的進料質(zhì)量檢查、錫膏檢查、回流前和回流后的自動化光學檢查（AOI）、LED放置后的坐標測量以及最終測試。”

總之，MicroLED還未為進入黃金時代做好準備。該行業(yè)仍然需要更多的創(chuàng)新。

3D傳感市場的騰飛

VCSEL也是熱門技術(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（來源：II-VI）

Veeco的Arif解釋說：“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回反射。每次通過有源層時，光束都會放大。在某個點上，放大率高到足以克服反射鏡的反射率，從而發(fā)出激光束。”

GaAs是VCSEL的主要襯底材料。“在典型的商業(yè)級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。”Arif說，“VCSEL有源區(qū)就是我們所說的多量子阱結(jié)構(gòu)。由GaAs、AlGaAs或GaAsP量子勢壘，與InGaAs阱形成三明治結(jié)構(gòu)的多量子阱。”

使用MOCVD來開發(fā)多層結(jié)構(gòu)。關(guān)鍵尺寸（CD）控制和均勻性至關(guān)重要。另一個問題這是成本。Aixtron的Schulte說：“我們的客戶面臨降低高端器件（如VCSEL）成本的壓力將會越來越大。”

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

2017年，當蘋果（Apple）在iPhone X中采用VCSEL實現(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中有三個傳感模塊用到了VCSEL，分別是點陣投影器、泛光照明器和ToF接近傳感器（相關(guān)報告：《蘋果iPhone X的ToF接近傳感器和泛光照明器》、《蘋果iPhone X紅外點陣投影器》）。首先，點陣投影器會在物體上產(chǎn)生超過30000個的紅外光點。紅外光從物體反射回來，創(chuàng)建3D數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)被傳遞到處理芯片以進行人臉識別并完成身份驗證，從而解鎖手機。

消費級3D傳感應(yīng)用帶動VCSEL市場快速增長

（來源：《VCSEL市場與技術(shù)趨勢-2019版》）

多家智能手機OEM廠商也在開發(fā)具有3D傳感功能的手機（相關(guān)報告：《智能手機應(yīng)用的VCSEL對比分析》）。此外，VCSEL正在進入其它應(yīng)用領(lǐng)域。隸屬于聯(lián)華電子新業(yè)務(wù)部門的三五族半導(dǎo)體代工廠Wavetek的首席技術(shù)官Barry Lin分析：“未來，VCSEL還可以在汽車、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)用而開發(fā)的微型VCSEL正在研發(fā)中。”

Lin列出了VCSEL的許多新興應(yīng)用。包括：（1）汽車：激光雷達（LiDAR）、車內(nèi)傳感；（2）工業(yè)：機器人、原子鐘；（3）軍事：陀螺儀系統(tǒng)；（4）游戲：增強現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實（AR/VR）。

成長中的GaN產(chǎn)業(yè)

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

多年來，GaN已用于生產(chǎn)LED、功率半導(dǎo)體和射頻器件。Lin說：“由于其禁帶寬度大，擊穿電場非常高，GaN可以用于電子或光子學器件中。另一個特點是其遷移率高。事實表明，GaN的功率管理轉(zhuǎn)換效率非常高。射頻應(yīng)用的頻段也要達到很高。”

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

（來源：《新興半導(dǎo)體襯底技術(shù)及市場趨勢-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GaN層，在GaN層上形成源極、柵極和漏極。

“對于MOCVD來講，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。”Veeco的Arif說道。

基于GaN的射頻器件正廣泛用于無線網(wǎng)絡(luò)的基站。在基站中，RF GaN專門于功率放大器。但是基于GaN的功率放大器面臨著現(xiàn)有技術(shù)的競爭。傳統(tǒng)基站使用的是基于橫向擴散金屬氧化物半導(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，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革命對數(shù)據(jù)速率和帶寬要求呈指數(shù)級增長，推動了GaN市場爆炸性增長，SiC-GaN是支持該技術(shù)的最佳材料。”Wolfspeed的射頻產(chǎn)品副總裁兼總經(jīng)理Gerhard Wolf說。

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功率器件競爭。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市場的長期發(fā)展趨勢

（來源：《功率氮化鎵（GaN）：外延、器件、應(yīng)用及技術(shù)趨勢-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。”Lam Research戰(zhàn)略行銷董事總經(jīng)理David Haynes說。

“但是，從技術(shù)角度來看，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生長質(zhì)量問題未完全得到解決，良率仍然是個問題。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)。”

結(jié)論

顯然，MOCVD是一項重要技術(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)爭或許才剛剛拉開帷幕。