對更強(qiáng)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(xì)分。金屬有機(jī)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(bào)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(xì)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(shí)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(dá)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(dá)到 3.93 億美元。MBE 設(shè)備市場價(jià)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(dá)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(shí)在 1964 年開始為研究實(shí)驗(yàn)室和大學(xué)提供產(chǎn)品，但現(xiàn)在它在全球擁有 750 臺 MBE 機(jī)器在運(yùn)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(jià)值鏈的起點(diǎn)。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(jī)，用于在連續(xù)的原子層中生長材料或晶體，并已涉足有機(jī) 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(dá)、紅外線)以及工業(yè)(光伏、OLED 和紫外線)市場。然而，Yole 堅(jiān)信 MBE 提供了許多機(jī)會，現(xiàn)在是釋放其全部潛力的時(shí)候了。

“MOCVD 具有非常強(qiáng)大的增長潛力，在多個(gè)市場具有多種應(yīng)用，但就大晶圓的技術(shù)和可擴(kuò)展性而言，它相當(dāng)復(fù)雜，而且需要時(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)外延層的極其精確的能力，為 MOCVD 無法實(shí)現(xiàn)的器件、工藝和功能提供了重要機(jī)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(jìn)入大批量生產(chǎn)，”埃洛伊補(bǔ)充道。

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

事實(shí)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(jì)算相關(guān)的機(jī)會確實(shí)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?yàn)槭袌鲈缭趲资昵熬烷_始了，”Eloy在問答環(huán)節(jié)告訴EE Times Europe ?！肮庾訉W(xué)真正受到數(shù)據(jù)中心和高性能計(jì)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(jī)會非常重要，因?yàn)?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(jì)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(jià)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(jì)算有望改變 MBE 的游戲規(guī)則。

當(dāng)被問及 Riber 在量子計(jì)算方面的當(dāng)前和未來發(fā)展時(shí)，Riber 執(zhí)行董事會主席 Philippe Ley 告訴EE Times Europe，該集團(tuán)正在開發(fā)一種全新的機(jī)器來在低溫下沉積材料?！澳壳?，溫度約為 800°C，目標(biāo)是在 –100°C 或 –200°C 下進(jìn)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(shí)驗(yàn)室于 2021 年 6 月建立了一個(gè)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室。該實(shí)驗(yàn)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(jì)算的超導(dǎo)材料。預(yù)計(jì)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(shí)，Riber 正在開展一個(gè)關(guān)于硅和化合物半導(dǎo)體融合的項(xiàng)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?yàn)樗鼈兲峁┝藰O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(jì)算、識別)。

Ley 說，該項(xiàng)目被稱為 Rosie，旨在開發(fā)第一臺 300 毫米機(jī)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(lán)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(shí)看到 [一個(gè)讓 MBE 真正參與競爭的機(jī)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(xiàng)短期業(yè)務(wù)——硅上功能性氧化物可能需要五年時(shí)間。”