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[导读]对更强大和更节能设备的空前需求刺激了对砷化镓、氮化镓和碳化硅等化合物半导体的需求。这种材料需要通过外延生长的超纯薄膜。尽管分子束外延 (MBE) 是三种外延设备之一,长期以来一直被认为是利基市场,但它已准备好过渡到批量应用。

对更强大和更节能设备的空前需求刺激了对砷化镓氮化镓碳化硅等化合物半导体的需求。这种材料需要通过外延生长的超纯薄膜。尽管分子束外延 (MBE) 是三种外延设备之一,长期以来一直被认为是利基市场,但它已准备好过渡到批量应用。

在最近的一次网络研讨会上,为半导体行业提供服务的法国 MBE 设备提供商 Riber 和法国研究和战略咨询公司 Yole Développement 介绍了全球 MBE 设备市场的现状和前景。

MOCVD、HTCVD、MBE

外延设备市场按技术细分。金属有机化学气相沉积 (MOCVD) 外延设备涵盖了大部分 III-V 外延,而高温 CVD (HTCVD) 是硅和 SiC 器件最常见的沉积技术。正如 Yole 在最近发表的报告“超越摩尔 2021 的外延设备”中所解释的那样,基于 GaN 的传统 LED 等商品器件需要 MOCVD。然而,越来越多的高端应用,例如快速充电器、MicroLED 显示器和用于 3D 传感的垂直腔面发射激光器 (VCSEL),将在未来几年推动需求。对于 HTCVD,主要市场是功率应用,基于硅和 SiC 外延材料,主要部署在汽车和工业等细分市场。

MBE 基于在超真空环境中用分子束蒸发复杂材料。原子从蒸发的材料沉积到基板上,在基板上形成结晶层。该技术可以实现具有显着物理特性的电子元件。MBE 用于低容量、高性能要求的应用程序。

据 Yole 称,包括 MOCVD、HTCVD 和 MBE 在内的外延设备市场将以 8% 的复合年增长率 (CAGR) 增长,从 2020 年的 6.92 亿美元增长到 2026 年的 11 亿美元。更具体地说,MOCVD、在 2020 年收入中占设备市场份额的 60% 以上,在预测期内将以 7% 的复合年增长率增长,到 2026 年达到 6.3 亿美元。HTCVD 市场将以 9% 的复合年增长率增长期间,2026 年将达到 3.93 亿美元。MBE 设备市场价值长期以来一直有限,2020 年收入为 4500 万美元,但将以 7.1% 的复合年增长率健康增长,到 2026 年达到 6800 万美元。 Yole 首席执行官 Jean-Christophe Eloy 表示:

MBE 通常被认为是一种利基技术,并面临不幸的误解,即它仅适用于研究和试生产。例如,虽然 Riber 确实在 1964 年开始为研究实验室和大学提供产品,但现在它在全球拥有 750 台 MBE 机器在运行,一些领先的半导体代工厂在其生产环境中专门使用 MBE。

Riber 处于化合物半导体价值链的起点。它为化合物半导体材料的研究和外延晶片的批量生产提供 MBE 系统。这家总部位于法国 Bezons 的公司还提供超高真空化学沉积机,用于在连续的原子层中生长材料或晶体,并已涉足有机 LED (OLED) 和光伏行业的蒸发器。

如今,Riber 服务于电信和基础设施(卫星、4G/5G 基站、光纤、激光器)、国防和航空航天(夜视、雷达、红外线)以及工业(光伏、OLED 和紫外线)市场。然而,Yole 坚信 MBE 提供了许多机会,现在是释放其全部潜力的时候了。

“MOCVD 具有非常强大的增长潜力,在多个市场具有多种应用,但就大晶圆的技术和可扩展性而言,它相当复杂,而且需要时间,”Eloy 说。相比之下,他说,“MBE 是一种外延设备,用于在大尺寸上实现极其均匀的层和……晶圆顶部的任何类型的层。MBE 凭借其实现外延层的极其精确的能力,为 MOCVD 无法实现的器件、工艺和功能提供了重要机会。

“从中长期来看,目前正在开发潜在的游戏规则改变者,并可能进入大批量生产,”埃洛伊补充道。

这种观点适用于 Riber 及其直接且唯一的竞争对手 Veeco Instruments。

事实上,Riber 和 Veeco Instruments 是仅有的两家为批量生产提供高容量/高通量 MBE 生产工具的厂商。DCA Instruments Oy、SVT Associates、Eiko 和 VJ Technologies 等其他 MBE 制造商提供研发或试生产系统。

增长动力

Yole 对 2026 年约 6800 万美元的 MBE 市场增长预测令人鼓舞,但最好的还没有到来。与 MicroLED、VCSEL 和量子计算相关的机会确实有望在 2026 年之后出现。

“MBE 在射频和光子学业务中根深蒂固,因为市场早在几十年前就开始了,”Eloy在问答环节告诉EE Times Europe 。“光子学真正受到数据中心和高性能计算的推动,并且在未来 20 年内将继续存在。它非常稳定。”

他继续说道,“新的增长机会非常重要,因为 MicroLED 即将颠覆显示行业。” MicroLED 显示器将在 2025-2026 年期间投入量产。

VCSEL 是更短期的应用,而量子计算是更长期的体量应用。

总而言之,这些不同的发展领域“可以在市场上已有的基础上增加很多价值和大量设备,”埃洛伊说。这一前景“在业务上行方面非常重要”。

量子飞跃

洛桑联邦理工学院 (EPFL) 物理学教授兼 Riber 监事会副主席 Nicolas Grandjean 表示,量子计算有望改变 MBE 的游戏规则。

当被问及 Riber 在量子计算方面的当前和未来发展时,Riber 执行董事会主席 Philippe Ley 告诉EE Times Europe,该集团正在开发一种全新的机器来在低温下沉积材料。“目前,温度约为 800°C,目标是在 –100°C 或 –200°C 下进行一些沉积,”Ley 说。在这方面,Riber 和法国图卢兹的 CNRS 系统分析和架构实验室于 2021 年 6 月建立了一个联合实验室。该实验室被称为 Epicentre,旨在开发一系列原位测量工具以及专用解决方案用于生长用于量子计算的超导材料。预计在未来两年内,共同开发的解决方案将提供给世界上所有的研究中心,Ley 说。

与此同时,Riber 正在开展一个关于硅和化合物半导体融合的项目,以克服目前硅的局限性。该公司表示,各种材料正在出现,因为它们提供了极高的开关速度特性,几乎为零的光学损耗。这为从未考虑过的应用开辟了可能性,例如光束整形、全息术和可编程光学神经元网络的生产(人工智能、量子计算、识别)。

Ley 说,该项目被称为 Rosie,旨在开发第一台 300 毫米机器,从而可以通过硅外延工艺制造这些材料的薄膜。

“砷化物、氮化物和蓝色 LED 是通过 MOCVD 生长的,但如果你想生长氧化物,那么前驱体和 MOCVD 本身就存在问题,”Grandjean 说。“据我所知,我确实看到 [一个让 MBE 真正参与竞争的机会,可能不是在氮化物上,而是更多地用于功能性氧化物和超导体,而 MOCVD 根本无法生长这些材料。这不是一项短期业务——硅上功能性氧化物可能需要五年时间。”


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