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MOCVD厂商的出路在何方?

2020/3/4 14:44:40      材料来源:MEMS


据麦姆斯咨询介绍,多家半导体设备厂商正在开发或增加新型金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术,期望在MOCVD应用的下一波热潮到来前做好充足准备。

目前市场上的MOCVD设备厂商,如Aixtron(爱思强)、AMEC(中微半导体)和Veeco(维易科),竞争已经非常激烈。2020年,MOCVD设备厂商正在寻求新的增长点,尽管整体商业环境阴云密布。

MOCVD系统是制造激光器、LED、光电元件、功率/射频器件和太阳能电池的关键设备之一,已经商用多年。MOCVD系统主要用于芯片表面的薄膜单晶层沉积,也常用于器件的三五族化合物半导体材料沉积,例如磷化铟(InP)、砷化镓(GaAs)和氮化镓(GaN)。

看起来增长动力源众多,但实际上MOCVD设备市场情况好坏参半。在经历了2019年的增长放缓之后,MOCVD厂商正在寻求2020年的反弹,但复苏还尚需时日。Gartner分析师Bob Johnson表示,预计2020年MOCVD设备市场规模为4.45亿美元,低于2019年的4.65亿美元。

低迷的商业环境和其它因素正在影响着MOCVD市场。促进MOCVD市场增长最快的细分市场是电力电子、VCSEL和相关产品。美国投资公司Stifel Nicolaus的分析师Patrick Ho认为:“我估计市场规模可能在2亿至2.5亿美元之间。很难说会增长多少,因为该行业仍在努力处理一些过剩库存。”

何为MOCVD?

1968年,北美航空公司(罗克韦尔公司的前身)发明了MOCVD。早期的MOCVD设备只供内部使用,用于在衬底上生长三五族材料。

第一台对外销售的MOCVD系统出现在20世纪80年代。如今,MOCVD已经发展成为市场上几种沉积技术的重要成员。沉积指在芯片表面上形成一层材料或薄膜的过程。

针对不同应用,分别有不同沉积设备类型。多年以来,芯片制造商一直在使用化学气相沉积(CVD)来制造晶圆厂的逻辑器件和存储器件。在CVD设备中,气态前体化学物质流入装载了硅晶圆的工艺腔体。这些气态前体在晶圆表面发生反应,形成所需的薄膜,同时副产物将从腔体中抽走。”Lam Research(泛林半导体)沉积产品组技术总监Dennis Hausmann在博客中介绍。

物理气相沉积(PVD)是在表面形成薄膜的一种物理方式。原子层沉积(ALD)是将物质以单原子膜形式一层一层沉积在表面的工艺方式。

MOCVD与其它沉积类型(如CVD)不同,可能并不为人所知或理解。CVD设备采用带有气源的反应器,相同的反应器可用于MOCVD设备,但MOCVD使用的是金属有机源。

简而言之,将晶圆装载到MOCVD系统中,然后将纯净气体输入反应器中。气流由化学前体组成,并在反应器中分解。该化学反应使芯片的晶体层得以生长。因此这个过程被称为“外延”,即在衬底上沉积薄膜。

MOCVD也可以用于三五族材料。“如果您查看由MOCVD系统生成的材料体系,主要分为两类材料。其中一类是基于GaN。这就是蓝宝石上的氮化镓(GaN-on-Sapphire),碳化硅上的氮化镓(GaN-on-SiC)和硅上氮化镓(GaN-on-Si)。”Veeco的Arif解释。第二类是基于磷化砷(AsP),其中包括砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)。“这分别是用于VCSEL和边缘发射激光器(EEL)的材料。而MiniLED和MicroLED的衬底材料则都会涉及,红光采用AsP,蓝绿光采用GaN。”

每家MOCVD厂商提供的设备的薄膜生长方式各有差异。例如,Aixtron的MOCVD设备采用水平层流式。Veeco的MOCVD系统使用另一种称为“TurboDisc”的技术。在该系统中,晶圆高速旋转。“TurboDisc”技术在真空环境中实现层状垂直气体注入和承载盘高速旋转,从而能够以良好的均匀性进行外延生长。

Veeco的最新系统称为Lumina MOCVD平台,包括两个型号。主要面向EEL、mini/MicroLED和VCSEL。该系统能够在最大直径达150 mm的晶圆上沉积AsP外延层。Veeco的系统能够在同一平台上处理多个不同的工艺菜单。其竞争对手Aixtron也正在研究类似的系统。

从LED,到MiniLED,到microLED

LED的历史可以追溯到1962年,当时通用电气(GE)使用早期的外延工艺开发了第一颗可见光LED。此后,MOCVD被用于制造LED。

LED是PN二极管,它将电转换为光。LED有单色和多色之分。RGB(红绿蓝)LED非常流行。LED用于LCD显示器、广告牌、消费电子产品和固态照明等的背光。

LED是在LED晶圆厂中完成。首先,选择蓝宝石或SiC衬底。使用MOCVD设备在衬底上沉积GaN。然后,该结构经过一系列图案化、沉积和蚀刻等工艺步骤。

LED热潮出现在本世纪的最初十年,那时固态照明市场开始腾飞。LED灯泡之所以有吸引力,是因为它们比传统白炽灯泡的功耗低很多。

固态照明的主要发光器件

(来源: 《固态照明光源行业现状-2019版》 )

但是,在此期间许多中国LED企业进入,随后建立了产能过剩的晶圆厂。到2010年,LED市场陷入供过于求的尴尬局面,导致LED价格暴跌。当时,中国政府向本国LED制造商发放补贴,以支持其购买MOCVD设备。LED供应商购买的设备过多,也是导致市场上MOCVD系统供过于求的原因。如今,在中国,情况还未得到改善。“中国的大量补贴积累了过多的LED产能。MOCVD市场目前还深陷于GaN LED产能严重过剩的状况。”Yole分析师Amandine Pizzagalli表示。

在中国,商业级LED业务的MOCVD设备由一家中国厂商——中微半导体主宰。Stifel Nicolaus的分析师Patrick Ho表示:“商业级LED市场已经被中微半导体所垄断,在可预见的未来,已不太可能改变。”

尽管如此,除了LED以外,MOCVD还有一些全新且潜在的巨大机会。数十家公司正在研究两种相关技术,分别称为MicroLED和MiniLED。苹果、脸书(Facebook)、三星和台积电只是众多开发MicroLED技术公司中的几家代表。

MiniLED是传统LED的"较小版本",尺寸为100um及以上。与LED一样,MiniLED的目标应用是显示器的背光。在研发中的MicroLED是LED的"微观版本",尺寸小于100um,估计是传统LED的百分之一。MicroLED是自发光型,无需背光。从理论上讲,与现有市场上的显示器相比,使用MicroLED的显示器可提供更多的色彩和更高的亮度,并且功耗更低。

MicroLED主要适用于两种显示类型。Aixtron总经理Bernd Schulte在最近的一次电话会议上表示:“在MicroLED的开发方面,我们看到行业在MicroLED显示器的商业化方面取得了良好的进展,无论是超大型显示器还是超小型可穿戴设备显示器。”

但是MicroLED面临一些挑战。例如,一台高清电视需要600万颗MicroLED。因此,在晶圆厂必须制造600万颗MicroLED,再将其转移到电视机背板上。使用MicroLED技术制造微型显示器同样也是一项艰巨的任务。

有多种制造MicroLED的方法。以一种流程为例,第一步是在基板上制造各种MicroLED,需要使用MOCVD设备在衬底上沉积GaN或其它材料。这是一个具有挑战性的过程。Veeco的Arif说:“缺陷和波长均匀性是主要挑战。”

MOCVD的另一挑战是要在多片晶圆上生长出均匀且高质量的外延层。外延良率的高低是决定显示器像素坏点多少的关键参数。

“在MicroLED器件级别,外延工艺控制能力尤为重要,需确保没有颗粒、凹坑和划痕等影响良率的缺陷。”KLA(科磊半导体)高级市场营销总监Steve Hiebert说,“在线检测和量测对外延工艺非常重要,对后续工艺的高良率和均匀性也非常关键。外延完成后,在MicroLED芯片形成时,图像缺陷对良率有直接影响。其中主要挑战是MicroLED芯片尺寸小和复杂结构。对于MicroLED而言,尺寸比传统LED小一到两个数量级,从而推动了能够检测较小亚微米级缺陷的高灵敏度图案化晶圆检测技术。”

MicroLED典型工艺流片良率

(来源: 《MicroLED显示技术与市场-2019版》 )

同时,在MOCVD工艺后,所得到的是有多颗MicroLED的结构。然后,切割成单颗MicroLED,进行测试,再使用巨量转移(mass-transfer)技术将其转移到背板上。有多种方法可以将MicroLED转移到背板上,但无一不充满挑战性。

所有步骤都需要各种过程控制措施。数码光学科技公司Cyber Optics总经理兼首席执行官Subodh Kulkarni表示:“最重要的是在整个过程的每个步骤采取有效的检测和量测,才能获得高良率。六个关键步骤包括柔性电路的进料质量检查、锡膏检查、回流前和回流后的自动化光学检查(AOI)、LED放置后的坐标测量以及最终测试。”

总之,MicroLED还未为进入黄金时代做好准备。该行业仍然需要更多的创新。

3D传感市场的腾飞

VCSEL也是热门技术。VCSEL属于半导体激光二极管,从顶部表面垂直发射出光束。VCSEL由多层结构组成。有源区夹于两个分布式布拉格反射器(DBR)反射镜之间。典型的VCSEL由60到70层组成,总结构厚度约为10um。

典型VCSEL器件的横截面示意图(来源:II-VI)

Veeco的Arif解释说:“谐振腔的底部和顶部是DBR反射镜,中间是有源区。有源区发光,并多次被顶层和底层来回反射。每次通过有源层时,光束都会放大。在某个点上,放大率高到足以克服反射镜的反射率,从而发出激光束。”

GaAs是VCSEL的主要衬底材料。“在典型的商业级VCSEL结构中,一种结构采用了GaAs、铟镓砷(InGaAs)、镓砷磷(GaAsP)和铝镓砷(AlGaAs)等化合物。”Arif说,“VCSEL有源区就是我们所说的多量子阱结构。由GaAs、AlGaAs或GaAsP量子势垒,与InGaAs阱形成三明治结构的多量子阱。”

使用MOCVD来开发多层结构。关键尺寸(CD)控制和均匀性至关重要。另一个问题这是成本。Aixtron的Schulte说:“我们的客户面临降低高端器件(如VCSEL)成本的压力将会越来越大。”

VCSEL由霍尼韦尔(Honeywell)于1996年商业化,最初用于鼠标和其它个人电脑的外围设备。然后,在2004年,菲尼萨(Finisar)收购了霍尼韦尔的VCSEL部门,并将该技术拓展到网络应用。很长时间以来,VCSEL被用作运营商数据网络设备光纤与铜缆接口的光源。

消费级3D传感应用带动VCSEL市场快速增长

(来源: 《VCSEL市场与技术趋势-2019版》 )

多家智能手机OEM厂商也在开发具有3D传感功能的手机(相关报告: 《智能手机应用的VCSEL对比分析》 )。此外,VCSEL正在进入其它应用领域。隶属于联华电子新业务部门的三五族半导体代工厂Wavetek的首席技术官Barry Lin分析:“未来,VCSEL还可以在汽车、工业、游戏和军事领域得到应用。此外,一种为成像和显示应用而开发的微型VCSEL正在研发中。”

Lin列出了VCSEL的许多新兴应用。包括:(1)汽车:激光雷达(LiDAR)、车内传感;(2)工业:机器人、原子钟;(3)军事:陀螺仪系统;(4)游戏:增强现实和虚拟现实(AR/VR)。

成长中的GaN产业

MOCVD的另一个巨大市场就是GaN,这是一种三五族材料。与硅相比,GaN的击穿电场强度是硅的十倍,电子数量是其两倍。

多年来,GaN已用于生产LED、功率半导体和射频器件。Lin说:“由于其禁带宽度大,击穿电场非常高,GaN可以用于电子或光子学器件中。另一个特点是其迁移率高。事实表明,GaN的功率管理转换效率非常高。射频应用的频段也要达到很高。”

GaN作为一种新兴半导体衬底材料,已在多个领域得到应用

(来源: 《新兴半导体衬底技术及市场趋势-2019版》 )

每种产品采用不同的制备流程。在基于GaN的功率半导体制备流程中,氮化铝(AlN)薄层沉积在衬底上。使用MOCVD在AlN层上生长GaN层,在GaN层上形成源极、栅极和漏极。

“对于MOCVD来讲,GaN面临的挑战与AsP差异不大。在性能方面,诸如均匀性、材料质量、缺陷率、界面清晰度和掺杂物浓度等至关重要。”Veeco的Arif说道。

基于GaN的射频器件正广泛用于无线网络的基站。在基站中,RF GaN专门于功率放大器。但是基于GaN的功率放大器面临着现有技术的竞争。传统基站使用的是基于横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)器件的射频功率放大器。

“碳化硅(SiC)上GaN(SiC-GaN)卓越的功率和效率性能正在让工程师和设计师摆脱硅材料的束缚。GaN器件具有功率密度高和工作频率高的优势,可以减小系统的尺寸并减轻重量,从而提高多种应用的系统性能。随着5G革命对数据速率和带宽要求呈指数级增长,推动了GaN市场爆炸性增长,SiC-GaN是支持该技术的最佳材料。”Wolfspeed的射频产品副总裁兼总经理Gerhard Wolf说。

此外,GaN还用于功率半导体。基于GaN的功率半导体正与IGBT、功率MOSFET和SiC功率器件竞争。GaN与SiC相比,两者都是宽带隙材料,这意味着它们比基于硅材料的IGBT和功率MOSFET更高效。

2018年~2030年功率GaN市场的长期发展趋势

“在许多方面,GaN的潜力比SiC还大。由于其在高频下的卓越性能,非常适合于快速充电解决方案的批量应用。此外,GaN还有可能集成到硅基技术中。”Lam Research战略行销董事总经理David Haynes说。

“但是,从技术角度来看,GaN的成熟度仍低于SiC。如果人们考虑使用GaN-on-silicon HEMT(硅上氮化镓高电子迁移率晶体管)技术,由于GaN-on-silicon的MOCVD生长质量问题未完全得到解决,良率仍然是个问题。器件性能和可靠性也面临挑战,这与HEMT制造工艺密切相关。”

结论

显然,MOCVD是一项重要技术,已经受到各种应用的密切关注。尽管多年来它主要与LED联系在一起。而现在,沉积技术为一些新兴应用铺平了道路。

与大多数设备厂商一样,MOCVD厂商在2020年将面临充满挑战的商业环境。但可以肯定的是,Aixtron、AMEC、Veeco以及其它公司将可能为新兴应用而战。MOCVD的战争或许才刚刚拉开帷幕。


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