兩年前,蘋果手機(jī)曾發(fā)布3D人臉識(shí)別功能,將VCSEL技術(shù)帶入了公眾視野。這是繼2017年后,第二次蘋果將VCSEL技術(shù)推向臺(tái)前。
MOCVD是VCSEL的關(guān)鍵
過去,VCSEL主要作為一種低成本運(yùn)動(dòng)跟蹤和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓庠醇夹g(shù)用于計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)、激光打印機(jī)和光纖通信。1996年,VCSEL首次被應(yīng)用了到光通信中,尤其在短距離光通信領(lǐng)域,850 nm VCSEL成為了理想的光源之一。而后,3D人臉識(shí)別出現(xiàn),為940 nm VCSEL的發(fā)展提供了契機(jī)。至此,由以光通信為主的850 nm慢慢轉(zhuǎn)向以應(yīng)用于消費(fèi)級(jí)設(shè)備為主的940 nm。
除此之外,人們還發(fā)現(xiàn)在AR、VR、汽車智能輔助駕駛和人工智能等應(yīng)用場(chǎng)景下,VCSEL也有極其優(yōu)越的表現(xiàn)。其中,具有更高功率要求的激光雷達(dá)等汽車應(yīng)用,需要使用更大的VCSEL陣列。
但是,VCSEL的制造工藝非常復(fù)雜,尤其依賴于MOCVD(金屬有機(jī)物氣相沉積)工藝。
Veeco產(chǎn)品營(yíng)銷總監(jiān)Mark McKee認(rèn)為:“發(fā)展VCSEL技術(shù),需要采購(gòu)更多的金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)系統(tǒng),以保證制造產(chǎn)能加速跟上激光雷達(dá)系統(tǒng)的需求?,F(xiàn)在的問題是如何實(shí)現(xiàn)最高的性能和最高的產(chǎn)率以滿足市場(chǎng)需求。而這需要基于業(yè)界領(lǐng)先的MOCVD技術(shù)。”
可見,MOCVD技術(shù)對(duì)于VCSEL發(fā)展的重要性。那么,MOCVD是什么?
什么是MOCVD?
MOCVD是1968年由美國(guó)洛克威公司的manasevit等人提出制備化臺(tái)物單晶薄膜的一項(xiàng)新技術(shù),到80年代初得以實(shí)用化。從定義上來看,MOCVD是在氣相外延生長(zhǎng)(VPE)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型氣相外延生長(zhǎng)技術(shù)。
在金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)技術(shù)中,反應(yīng)氣體在升高的溫度下在反應(yīng)器中結(jié)合以引起化學(xué)相互作用,將材料沉積在基板上。在MOCVD中,將超純氣體注入反應(yīng)器中并精細(xì)計(jì)量以將非常薄的原子層沉積到半導(dǎo)體晶片上。含有所需化學(xué)元素的有機(jī)化合物或金屬有機(jī)物和氫化物的表面反應(yīng)為晶體生長(zhǎng)創(chuàng)造條件,形成材料和化合物半導(dǎo)體的外延。不同于傳統(tǒng)的硅半導(dǎo)體,這些半導(dǎo)體可以包含的組合III族和V族,II族和VI族,IV族或第IV族,V和VI族的元素。
經(jīng)過近20年的飛速發(fā)展,MOCVD成為了目前半導(dǎo)體化臺(tái)物材料制備的關(guān)鍵技術(shù)之一。廣泛應(yīng)用于包括半導(dǎo)體器件、光學(xué)器件、氣敏元件、超導(dǎo)薄膜材料、鐵電/鐵磁薄膜、高介電材料等多種薄膜材料的制備。
據(jù)維基百科資料顯示,進(jìn)行MOCVD的反應(yīng)器必須承受高溫。反應(yīng)室由反應(yīng)器壁,襯管,基座,氣體注入單元和溫度控制單元組成。通常,反應(yīng)器壁由不銹鋼或石英制成。陶瓷或特殊玻璃,例如石英,通常用作反應(yīng)器壁和基座之間的反應(yīng)室中的襯里。為防止過熱,冷卻水必須流過反應(yīng)器壁內(nèi)的通道?;逦挥谑芸販囟鹊幕?。感受器由耐受所用金屬有機(jī)化合物的材料制成。對(duì)于生長(zhǎng)氮化物和相關(guān)材料,石墨基座上的特殊涂層(通常為氮化硅)是防止氨(NH3)氣體腐蝕所必需的。
MOCVD設(shè)備
據(jù)資料顯示:MOCVD設(shè)備可用于LED、功率器件等多個(gè)領(lǐng)域,是LED芯片生產(chǎn)過程中最為關(guān)鍵的設(shè)備,其工藝、技術(shù)極為復(fù)雜,也是LED芯片制造環(huán)節(jié)中最為昂貴的設(shè)備,占據(jù)LED外延芯片幾乎一半的成本。
根據(jù)東方財(cái)富證券對(duì)三安光電的深度研究報(bào)告中顯示,截止2018年,三安光電公司主要生產(chǎn)設(shè)備MOCVD預(yù)計(jì)可達(dá)近400臺(tái)(折合2英寸54片機(jī)數(shù)量),產(chǎn)能全國(guó)占比近30%。其中,廈門三安曾于2014年9月26日向德國(guó)AIXTRON SE訂購(gòu)50臺(tái)MOCVD設(shè)備,設(shè)備總價(jià)款為130,000,000美元。
平均下來,生產(chǎn)型MOCVD設(shè)備的售價(jià)高達(dá)1000——2000萬元。而根據(jù)機(jī)型,6片機(jī)售價(jià)大概在70萬美元左右,9片機(jī)100萬美元左右,加上相關(guān)配套設(shè)備設(shè)施,一條產(chǎn)線LED生產(chǎn)線需要投入4000多萬元。
MOCVD設(shè)備這么昂貴,都有哪些玩家可以供給這種設(shè)備?
MOCVD設(shè)備廠商有哪些?
據(jù)立木信息咨詢消息,全球MOCVD市場(chǎng)的復(fù)合年平均增長(zhǎng)率將在2021年之前增長(zhǎng)到14%,市場(chǎng)規(guī)模將從2016年的6.148億美元增加到2021年的11.628億美元。
目前,美國(guó)的Veeco、德國(guó)AIXTRON、日本的NIPPON Sanso和Nissin Electric是起步較早的MOCVD設(shè)備供應(yīng)商。但由于日本對(duì)MOCVD設(shè)備實(shí)行出口限制政策,因此,全球MOCVD市場(chǎng)基本被Veeco和AIXTRON壟斷。同時(shí),這兩家MOCVD設(shè)備公司還一致預(yù)測(cè),2022年全球?qū)⒂?50臺(tái)左右量產(chǎn)型機(jī)臺(tái)專門生長(zhǎng)VCSEL所需外延片,達(dá)到當(dāng)前全球LED市場(chǎng)所需MOCVD機(jī)臺(tái)數(shù)的1/6左右。
同時(shí)也有消息稱,現(xiàn)階段臺(tái)灣外延廠商在技術(shù)上已經(jīng)具備生產(chǎn)4英寸和6英寸的能力。大陸方面,我國(guó)涉足MOCVD設(shè)備的企業(yè)也在不斷增多,其中,中晟光電、廣東昭信、中微半導(dǎo)體等企業(yè)已經(jīng)取得了一定成果。
Veeco
Veeco于1945年由兩位曼哈頓計(jì)劃科學(xué)家Frank Raible和Al Nerken合并而成,他們創(chuàng)建了氦氣檢漏儀。
Veeco的新型EPIK 868 MOCVD系統(tǒng)是LED行業(yè)生產(chǎn)率最高的MOCVD系統(tǒng),與前幾代相比,每片晶圓的成本降低了約22%。EPIK 868采用四反應(yīng)器配置,采用突破性技術(shù),包括專有的IsoFlange和TruHeat技術(shù),可在整個(gè)晶圓載體上提供均勻的層流和均勻的溫度分布。這些技術(shù)創(chuàng)新產(chǎn)生波長(zhǎng)均勻性,以在更緊密的箱中提高產(chǎn)量。EPIK 868系統(tǒng)與EPIK 700系統(tǒng)相比,具有2.3倍的吞吐量?jī)?yōu)勢(shì),因?yàn)樗哂懈蟮姆磻?yīng)器容量和晶圓載具尺寸。EPIK 868專為批量生產(chǎn)而設(shè)計(jì),可容納124x4“和48x6”晶圓載具尺寸。
AIXTRON
Aixtron SE是一家總部位于德國(guó)的歐洲技術(shù)公司,專門為半導(dǎo)體行業(yè)的客戶制造金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)設(shè)備。2016年10月,中國(guó)福建大芯片投資基金LP希望收購(gòu)Aixtron,但德國(guó)經(jīng)濟(jì)部撤回了對(duì)該收購(gòu)的批準(zhǔn)。
AIXTRON與SemiLEDs在2009年5月就合作開發(fā)出6寸藍(lán)光LED芯片,在6x6寸AIX 2800G4 HT MOCVD反應(yīng)爐的結(jié)構(gòu)上,產(chǎn)量增加約30%(相較于傳統(tǒng)42x2-inch的架構(gòu)),不但均勻性較好,也減少了邊緣效應(yīng)。不過就現(xiàn)階段而言,大多數(shù)的困難仍然在于6寸的基板價(jià)格偏高與外延片切割技術(shù)的挑戰(zhàn)。
AIXTRON公司最先進(jìn)的獨(dú)特的行星轉(zhuǎn)盤技術(shù)應(yīng)用在大型G4 2800HT 42*2”以及Thomas Swan(1999年被AIXTRON收購(gòu))CCS Crius 30*2”MOCVD系統(tǒng),使得AIXTRON的MOCVD設(shè)備被公認(rèn)為世界上技術(shù)和商業(yè)價(jià)值最完美的結(jié)合。
NIPPON Sanso
Taiyo Nippon Sanso Corporation,俗稱TNSC,是一家日本跨國(guó)工業(yè)氣體制造商,于1918年成立為Nippon Sanso Corporation。該公司是日本最大的工業(yè)氣體生產(chǎn)商,也是全球五大工業(yè)氣體供應(yīng)商之一。其公司,在電子材料和設(shè)備方面,主要可以提供包括高純度氣體,氣體混合物,凈化設(shè)備和其他硬件和服務(wù),為電子行業(yè)提供穩(wěn)定的氮?dú)夂透鞣N原料氣體供應(yīng)。他們還提供小型氮?dú)獍l(fā)生器,MOCVD設(shè)備和廢氣減排系統(tǒng)等設(shè)備。
日本SANSO公司生產(chǎn)的GaN-MOCVD設(shè)備性能優(yōu)良,但僅限日本市場(chǎng)銷售。
華芯半導(dǎo)體
華芯半導(dǎo)體科技有限公司位于泰州市姜堰區(qū)現(xiàn)代科技產(chǎn)業(yè)園,總投資50億元,其中一期投資12億元,占地面積90余畝,建筑面積50000平米公司擁有國(guó)際先進(jìn)的外延金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)設(shè)備、芯片工藝設(shè)備和封裝設(shè)備等,主要從事尖端化合物半導(dǎo)體光電子芯片及其應(yīng)用產(chǎn)品的研究、開發(fā)與生產(chǎn)。公司主要產(chǎn)品為藍(lán)綠光半導(dǎo)體激光芯片、VCSEL半導(dǎo)體激光芯片、DFB、EML半導(dǎo)體激光芯片及其封裝模塊。
2017年,華芯半導(dǎo)體科技有限公司與北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究院合作,開發(fā)出基于完全自主開發(fā)外延生長(zhǎng)技術(shù)的VCSEL產(chǎn)品并投入量產(chǎn)。在完全自主研制940 nm VCSEL的過程中,發(fā)現(xiàn)VCSEL結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì),通過金屬有機(jī)化合物氣相外延(MOCVD)技術(shù)對(duì)材料進(jìn)行精準(zhǔn)生長(zhǎng)以及復(fù)雜的芯片工藝是能否成功研制出VCSEL的關(guān)鍵。
中微半導(dǎo)體
2018年11月,南昌以LED光電產(chǎn)業(yè)為核心的“南昌光谷”招商引資迎來了重大突破:在LED高端核心裝備MOCVD方面,引進(jìn)了中微半導(dǎo)體設(shè)備(上海)有限公司,從而使LED產(chǎn)業(yè)告別了只能從美國(guó)進(jìn)口核心裝備MOCVD的歷史。中微半導(dǎo)體設(shè)備公司高端裝備MOCVD生產(chǎn)項(xiàng)目的落戶,為江西LED產(chǎn)業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力注入了新的血液。
2017年,中微半導(dǎo)體宣布,其MOCVD設(shè)備Prismo A7機(jī)型出貨量已突破100臺(tái),邁向重要里程碑,包括三安光電和華燦光電等設(shè)備可容納多達(dá)4個(gè)反應(yīng)腔,同時(shí)加工136片4吋磊芯片,由于持續(xù)接到新訂單,中微預(yù)計(jì)2017年底可望出貨約120臺(tái)MOCVD設(shè)備。
中晟光電
自2012年底成功出廠了中國(guó)首臺(tái)具有世界先進(jìn)水平的大型國(guó)產(chǎn)MOCVD設(shè)備后,其已于去年年底成立控股子公司中晟科技(南昌)有限公司,在這里,MOCVD設(shè)備、硅基GaN外延芯片都將實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。
據(jù)介紹,中晟光電的MOCVD具有4個(gè)核心的差異競(jìng)爭(zhēng)力:具有目前世界上最高的系統(tǒng)產(chǎn)能、具有最低的外延生產(chǎn)成本、具有良好的波長(zhǎng)均勻性、具有大規(guī)模外延生產(chǎn)所需的各項(xiàng)關(guān)鍵性能。這些核心競(jìng)爭(zhēng)力是著重解決目前大規(guī)模LED生產(chǎn)急需解決的關(guān)鍵問題,尤為重要的是,這些核心差異競(jìng)爭(zhēng)力都具有自主創(chuàng)新的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。
如今,中晟光電MOCVD機(jī)臺(tái)已被包括三安光電、華燦光電、圓融光電、聚燦光電、華磊、合肥彩虹藍(lán)光、能華等在內(nèi)的國(guó)內(nèi)芯片廠導(dǎo)入。
廣東昭信
廣東昭信集團(tuán)股份有限公司是有著50多年發(fā)展歷程的民營(yíng)企業(yè),是一家以光?電子產(chǎn)業(yè)為主體,集研發(fā)、生產(chǎn)、銷售及進(jìn)出口貿(mào)易為一體的現(xiàn)代企業(yè)集團(tuán),業(yè)務(wù)分布國(guó)內(nèi)以及歐洲、日本、東南亞等國(guó)際市場(chǎng)。目前,昭信已獲得專利300多項(xiàng),其中已授權(quán)發(fā)明專利近50項(xiàng)。昭信自主研發(fā)的MOCVD設(shè)備通過科技成果鑒定,達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平,被授予“中國(guó)LED首創(chuàng)獎(jiǎng)”。
2010年,昭信集團(tuán)推出了首臺(tái)MOCVD設(shè)備,并提供給亞威朗和武漢迪源光電試用。2012年,廣東昭信集團(tuán)、昭信半導(dǎo)體裝備公司及華中科技大學(xué)共同研發(fā)的昭信二代量產(chǎn)型MOCVD設(shè)備已通過廣東省科技廳專家組鑒定,未來有望推向國(guó)內(nèi)市場(chǎng),昭信二代MOCVD設(shè)備是37片機(jī)。該設(shè)備比第一代設(shè)備在產(chǎn)出率和可靠性等方面都有顯著提升,而價(jià)格僅為進(jìn)口設(shè)備的一半,昭信也收獲多項(xiàng)核心技術(shù)專利。
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