對更強大和更節(jié)能設(shè)備的空前需求刺激了對砷化鎵、氮化鎵和碳化硅等化合物半導(dǎo)體的需求。這種材料需要通過外延生長的超純薄膜。盡管分子束外延 (MBE) 是三種外延設(shè)備之一，長期以來一直被認(rèn)為是利基市場，但它已準(zhǔn)備好過渡到批量應(yīng)用。

在最近的一次網(wǎng)絡(luò)研討會上，為半導(dǎo)體行業(yè)提供服務(wù)的法國 MBE 設(shè)備提供商 Riber 和法國研究和戰(zhàn)略咨詢公司 Yole Développement 介紹了全球 MBE 設(shè)備市場的現(xiàn)狀和前景。

MOCVD、HTCVD、MBE

外延設(shè)備市場按技術(shù)細分。金屬有機化學(xué)氣相沉積 (MOCVD) 外延設(shè)備涵蓋了大部分 III-V 外延，而高溫 CVD (HTCVD) 是硅和 SiC 器件最常見的沉積技術(shù)。正如 Yole 在最近發(fā)表的報告“超越摩爾 2021 的外延設(shè)備”中所解釋的那樣，基于 GaN 的傳統(tǒng) LED 等商品器件需要 MOCVD。然而，越來越多的高端應(yīng)用，例如快速充電器、MicroLED 顯示器和用于 3D 傳感的垂直腔面發(fā)射激光器 (VCSEL)，將在未來幾年推動需求。對于 HTCVD，主要市場是功率應(yīng)用，基于硅和 SiC 外延材料，主要部署在汽車和工業(yè)等細分市場。

MBE 基于在超真空環(huán)境中用分子束蒸發(fā)復(fù)雜材料。原子從蒸發(fā)的材料沉積到基板上，在基板上形成結(jié)晶層。該技術(shù)可以實現(xiàn)具有顯著物理特性的電子元件。MBE 用于低容量、高性能要求的應(yīng)用程序。

據(jù) Yole 稱，包括 MOCVD、HTCVD 和 MBE 在內(nèi)的外延設(shè)備市場將以 8% 的復(fù)合年增長率 (CAGR) 增長，從 2020 年的 6.92 億美元增長到 2026 年的 11 億美元。更具體地說，MOCVD、在 2020 年收入中占設(shè)備市場份額的 60% 以上，在預(yù)測期內(nèi)將以 7% 的復(fù)合年增長率增長，到 2026 年達到 6.3 億美元。HTCVD 市場將以 9% 的復(fù)合年增長率增長期間，2026 年將達到 3.93 億美元。MBE 設(shè)備市場價值長期以來一直有限，2020 年收入為 4500 萬美元，但將以 7.1% 的復(fù)合年增長率健康增長，到 2026 年達到 6800 萬美元。 Yole 首席執(zhí)行官 Jean-Christophe Eloy 表示：

MBE 通常被認(rèn)為是一種利基技術(shù)，并面臨不幸的誤解，即它僅適用于研究和試生產(chǎn)。例如，雖然 Riber 確實在 1964 年開始為研究實驗室和大學(xué)提供產(chǎn)品，但現(xiàn)在它在全球擁有 750 臺 MBE 機器在運行，一些領(lǐng)先的半導(dǎo)體代工廠在其生產(chǎn)環(huán)境中專門使用 MBE。

Riber 處于化合物半導(dǎo)體價值鏈的起點。它為化合物半導(dǎo)體材料的研究和外延晶片的批量生產(chǎn)提供 MBE 系統(tǒng)。這家總部位于法國 Bezons 的公司還提供超高真空化學(xué)沉積機，用于在連續(xù)的原子層中生長材料或晶體，并已涉足有機 LED (OLED) 和光伏行業(yè)的蒸發(fā)器。

如今，Riber 服務(wù)于電信和基礎(chǔ)設(shè)施(衛(wèi)星、4G/5G 基站、光纖、激光器)、國防和航空航天(夜視、雷達、紅外線)以及工業(yè)(光伏、OLED 和紫外線)市場。然而，Yole 堅信 MBE 提供了許多機會，現(xiàn)在是釋放其全部潛力的時候了。

“MOCVD 具有非常強大的增長潛力，在多個市場具有多種應(yīng)用，但就大晶圓的技術(shù)和可擴展性而言，它相當(dāng)復(fù)雜，而且需要時間，”Eloy 說。相比之下，他說，“MBE 是一種外延設(shè)備，用于在大尺寸上實現(xiàn)極其均勻的層和……晶圓頂部的任何類型的層。MBE 憑借其實現(xiàn)外延層的極其精確的能力，為 MOCVD 無法實現(xiàn)的器件、工藝和功能提供了重要機會。

“從中長期來看，目前正在開發(fā)潛在的游戲規(guī)則改變者，并可能進入大批量生產(chǎn)，”埃洛伊補充道。

這種觀點適用于 Riber 及其直接且唯一的競爭對手 Veeco Instruments。

事實上，Riber 和 Veeco Instruments 是僅有的兩家為批量生產(chǎn)提供高容量/高通量 MBE 生產(chǎn)工具的廠商。DCA Instruments Oy、SVT Associates、Eiko 和 VJ Technologies 等其他 MBE 制造商提供研發(fā)或試生產(chǎn)系統(tǒng)。

增長動力

Yole 對 2026 年約 6800 萬美元的 MBE 市場增長預(yù)測令人鼓舞，但最好的還沒有到來。與 MicroLED、VCSEL 和量子計算相關(guān)的機會確實有望在 2026 年之后出現(xiàn)。

“MBE 在射頻和光子學(xué)業(yè)務(wù)中根深蒂固，因為市場早在幾十年前就開始了，”Eloy在問答環(huán)節(jié)告訴EE Times Europe 。“光子學(xué)真正受到數(shù)據(jù)中心和高性能計算的推動，并且在未來 20 年內(nèi)將繼續(xù)存在。它非常穩(wěn)定?！?

他繼續(xù)說道，“新的增長機會非常重要，因為 MicroLED 即將顛覆顯示行業(yè)?！?MicroLED 顯示器將在 2025-2026 年期間投入量產(chǎn)。

VCSEL 是更短期的應(yīng)用，而量子計算是更長期的體量應(yīng)用。

總而言之，這些不同的發(fā)展領(lǐng)域“可以在市場上已有的基礎(chǔ)上增加很多價值和大量設(shè)備，”埃洛伊說。這一前景“在業(yè)務(wù)上行方面非常重要”。

量子飛躍

洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院 (EPFL) 物理學(xué)教授兼 Riber 監(jiān)事會副主席 Nicolas Grandjean 表示，量子計算有望改變 MBE 的游戲規(guī)則。

當(dāng)被問及 Riber 在量子計算方面的當(dāng)前和未來發(fā)展時，Riber 執(zhí)行董事會主席 Philippe Ley 告訴EE Times Europe，該集團正在開發(fā)一種全新的機器來在低溫下沉積材料?！澳壳埃瑴囟燃s為 800°C，目標(biāo)是在 –100°C 或 –200°C 下進行一些沉積，”Ley 說。在這方面，Riber 和法國圖盧茲的 CNRS 系統(tǒng)分析和架構(gòu)實驗室于 2021 年 6 月建立了一個聯(lián)合實驗室。該實驗室被稱為 Epicentre，旨在開發(fā)一系列原位測量工具以及專用解決方案用于生長用于量子計算的超導(dǎo)材料。預(yù)計在未來兩年內(nèi)，共同開發(fā)的解決方案將提供給世界上所有的研究中心，Ley 說。

與此同時，Riber 正在開展一個關(guān)于硅和化合物半導(dǎo)體融合的項目，以克服目前硅的局限性。該公司表示，各種材料正在出現(xiàn)，因為它們提供了極高的開關(guān)速度特性，幾乎為零的光學(xué)損耗。這為從未考慮過的應(yīng)用開辟了可能性，例如光束整形、全息術(shù)和可編程光學(xué)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的生產(chǎn)(人工智能、量子計算、識別)。

Ley 說，該項目被稱為 Rosie，旨在開發(fā)第一臺 300 毫米機器，從而可以通過硅外延工藝制造這些材料的薄膜。

“砷化物、氮化物和藍色 LED 是通過 MOCVD 生長的，但如果你想生長氧化物，那么前驅(qū)體和 MOCVD 本身就存在問題，”Grandjean 說?！皳?jù)我所知，我確實看到 [一個讓 MBE 真正參與競爭的機會，可能不是在氮化物上，而是更多地用于功能性氧化物和超導(dǎo)體，而 MOCVD 根本無法生長這些材料。這不是一項短期業(yè)務(wù)——硅上功能性氧化物可能需要五年時間?！?