2019年03月04日 | MOCVD技术详解

据麦姆斯咨询报道，美国专利商标局（USPTO）本周二授予了苹果公司（Apple）一项有关压力传感器的专利，未来苹果可能使用Face ID的VCSEL（垂直腔面发射激光器）技术，改进未来iPhone的3D Touch功能。

两年前，苹果手机曾发布3D人脸识别功能，将VCSEL技术带入了公众视野。这是继2017年后，第二次苹果将VCSEL技术推向台前。

MOCVD是VCSEL的关键

过去，VCSEL主要作为一种低成本运动跟踪和数据传输的光源技术用于计算机鼠标、激光打印机和光纤通信。1996年，VCSEL首次被应用了到光通信中,尤其在短距离光通信领域，850 nm VCSEL成为了理想的光源之一。而后，3D人脸识别出现，为940 nm VCSEL的发展提供了契机。至此，由以光通信为主的850 nm慢慢转向以应用于消费级设备为主的940 nm。

除此之外，人们还发现在AR、VR、汽车智能辅助驾驶和人工智能等应用场景下，VCSEL也有极其优越的表现。其中，具有更高功率要求的激光雷达等汽车应用，需要使用更大的VCSEL阵列。

但是，VCSEL的制造工艺非常复杂，尤其依赖于MOCVD（金属有机物气相沉积）工艺。

Veeco产品营销总监Mark McKee认为：“发展VCSEL技术，需要采购更多的金属有机化学气相沉积（MOCVD）系统，以保证制造产能加速跟上激光雷达系统的需求。现在的问题是如何实现最高的性能和最高的产率以满足市场需求。而这需要基于业界领先的MOCVD技术。”

可见，MOCVD技术对于VCSEL发展的重要性。那么，MOCVD是什么？

什么是MOCVD？

MOCVD是1968年由美国洛克威公司的manasevit等人提出制备化台物单晶薄膜的一项新技术，到80年代初得以实用化。从定义上来看，MOCVD是在气相外延生长(VPE)的基础上发展起来的一种新型气相外延生长技术。

在金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术中，反应气体在升高的温度下在反应器中结合以引起化学相互作用，将材料沉积在基板上。在MOCVD中，将超纯气体注入反应器中并精细计量以将非常薄的原子层沉积到半导体晶片上。含有所需化学元素的有机化合物或金属有机物和氢化物的表面反应为晶体生长创造条件，形成材料和化合物半导体的外延。不同于传统的硅半导体，这些半导体可以包含的组合III族和V族，II族和VI族，IV族或第IV族，V和VI族的元素。

经过近20年的飞速发展，MOCVD成为了目前半导体化台物材料制备的关键技术之一。广泛应用于包括半导体器件、光学器件、气敏元件、超导薄膜材料、铁电/铁磁薄膜、高介电材料等多种薄膜材料的制备。

据维基百科资料显示，进行MOCVD的反应器必须承受高温。反应室由反应器壁，衬管，基座，气体注入单元和温度控制单元组成。通常，反应器壁由不锈钢或石英制成。陶瓷或特殊玻璃，例如石英，通常用作反应器壁和基座之间的反应室中的衬里。为防止过热，冷却水必须流过反应器壁内的通道。基板位于受控温度的基座上。感受器由耐受所用金属有机化合物的材料制成。对于生长氮化物和相关材料，石墨基座上的特殊涂层（通常为氮化硅）是防止氨（NH3）气体腐蚀所必需的。

MOCVD设备

据立木信息咨询发布的《中国MOCVD设备市场调研与投资战略报告（2019版）》显示：MOCVD设备可用于LED、功率器件等多个领域，是LED芯片生产过程中最为关键的设备，其工艺、技术极为复杂，也是LED芯片制造环节中最为昂贵的设备，占据LED外延芯片几乎一半的成本。

根据东方财富证券对三安光电的深度研究报告中显示，截止 2018 年，三安光电公司主要生产设备 MOCVD 预计可达近 400 台（折合 2 英寸 54 片机数量），产能全国占比近 30%。其中，厦门三安曾于2014年9月26日向德国AIXTRON SE订购50台MOCVD设备，设备总价款为130,000,000美元。

平均下来，生产型MOCVD设备的售价高达1000～2000万元。而根据机型，6片机售价大概在70万美元左右，9片机100万美元左右，加上相关配套设备设施，一条产线LED生产线需要投入4000 多万元。

MOCVD设备这么昂贵，都有哪些玩家可以供给这种设备？

MOCVD设备厂商有哪些？

据立木信息咨询消息，全球MOCVD市场的复合年平均增长率将在2021年之前增长到14%，市场规模将从2016年的6.148亿美元增加到2021年的11.628亿美元。

目前，美国的Veeco、德国AIXTRON、日本的NIPPON Sanso和Nissin Electric是起步较早的MOCVD设备供应商。但由于日本对MOCVD设备实行出口限制政策，因此，全球MOCVD市场基本被Veeco和AIXTRON垄断。同时，这两家MOCVD设备公司还一致预测，2022年全球将有250台左右量产型机台专门生长VCSEL所需外延片，达到当前全球LED市场所需MOCVD机台数的1/6左右。

同时也有消息称，现阶段台湾外延厂商在技术上已经具备生产4英寸和6英寸的能力。大陆方面，我国涉足MOCVD设备的企业也在不断增多，其中，中晟光电、广东昭信、中微半导体等企业已经取得了一定成果。

Veeco

Veeco于1945年由两位曼哈顿计划科学家Frank Raible和Al Nerken合并而成，他们创建了氦气检漏仪。

Veeco的新型EPIK 868 MOCVD系统是LED行业生产率最高的MOCVD系统，与前几代相比，每片晶圆的成本降低了约22％。EPIK 868采用四反应器配置，采用突破性技术，包括专有的IsoFlange和TruHeat技术，可在整个晶圆载体上提供均匀的层流和均匀的温度分布。这些技术创新产生波长均匀性，以在更紧密的箱中提高产量。EPIK 868系统与EPIK 700系统相比，具有2.3倍的吞吐量优势，因为它具有更大的反应器容量和晶圆载具尺寸。EPIK 868专为批量生产而设计，可容纳124x4“和48x6”晶圆载具尺寸。

AIXTRON

Aixtron SE是一家总部位于德国的欧洲技术公司，专门为半导体行业的客户制造金属有机化学气相沉积（MOCVD）设备。2016年10月，中国福建大芯片投资基金LP希望收购Aixtron，但德国经济部撤回了对该收购的批准。

AIXTRON与SemiLEDs在2009年5月就合作开发出6寸蓝光LED芯片，在6x6寸AIX 2800G4 HT MOCVD反应炉的结构上，产量增加约30%(相较于传统42x2-inch的架构)，不但均匀性较好，也减少了边缘效应。不过就现阶段而言，大多数的困难仍然在于6寸的基板价格偏高与外延片切割技术的挑战。

AIXTRON公司最先进的独特的行星转盘技术应用在大型G4 2800HT 42*2”以及Thomas Swan(1999年被AIXTRON收购) CCS Crius 30*2” MOCVD系统，使得AIXTRON的MOCVD设备被公认为世界上技术和商业价值最完美的结合。

NIPPON Sanso

Taiyo Nippon Sanso Corporation ，俗称TNSC，是一家日本跨国工业气体制造商，于1918年成立为Nippon Sanso Corporation。该公司是日本最大的工业气体生产商，也是全球五大工业气体供应商之一。其公司，在电子材料和设备方面，主要可以提供包括高纯度气体，气体混合物，净化设备和其他硬件和服务，为电子行业提供稳定的氮气和各种原料气体供应。他们还提供小型氮气发生器，MOCVD设备和废气减排系统等设备。

日本SANSO公司生产的GaN-MOCVD设备性能优良，但仅限日本市场销售。

华芯半导体

华芯半导体科技有限公司位于泰州市姜堰区现代科技产业园,总投资50亿元,其中一期投资12亿元,占地面积90余亩,建筑面积50000平米 公司拥有国际先进的外延金属有机物化学气相沉积(MOCVD)设备、芯片工艺设备和封装设备等,主要从事尖端化合物半导体光电子芯片及其应用产品的研究、开发与生产。 公司主要产品为蓝绿光半导体激光芯片、VCSEL半导体激光芯片、DFB、EML半导体激光芯片及其封装模块。

2017年，华芯半导体科技有限公司与北京工业大学激光工程研究院合作，开发出基于完全自主开发外延生长技术的VCSEL产品并投入量产。在完全自主研制940 nm VCSEL的过程中,发现VCSEL结构的合理设计,通过金属有机化合物气相外延(MOCVD)技术对材料进行精准生长以及复杂的芯片工艺是能否成功研制出VCSEL的关键。

中微半导体

2018年11月，南昌以LED光电产业为核心的“南昌光谷”招商引资迎来了重大突破：在LED高端核心装备MOCVD方面，引进了中微半导体设备（上海）有限公司，从而使LED产业告别了只能从美国进口核心装备MOCVD的历史。中微半导体设备公司高端装备MOCVD生产项目的落户，为江西LED产业的核心竞争力注入了新的血液。

2017年，中微半导体宣布，其MOCVD设备Prismo A7机型出货量已突破100台，迈向重要里程碑，包括三安光电和华灿光电等设备可容纳多达4个反应腔，同时加工136片4吋磊芯片，由于持续接到新订单，中微预计2017年底可望出货约120台MOCVD设备。

中晟光电

自2012年底成功出厂了中国首台具有世界先进水平的大型国产MOCVD设备后，其已于去年年底成立控股子公司中晟科技（南昌）有限公司，在这里，MOCVD设备、硅基GaN外延芯片都将实现大规模量产。

据介绍，中晟光电的MOCVD具有4个核心的差异竞争力：具有目前世界上最高的系统产能、具有最低的外延生产成本、具有良好的波长均匀性、具有大规模外延生产所需的各项关键性能。这些核心竞争力是着重解决目前大规模LED生产急需解决的关键问题，尤为重要的是，这些核心差异竞争力都具有自主创新的知识产权。

如今，中晟光电MOCVD机台已被包括三安光电、华灿光电、圆融光电、聚灿光电、华磊、合肥彩虹蓝光、能华等在内的国内芯片厂导入。

广东昭信

广东昭信集团股份有限公司是有着50多年发展历程的民营企业，是一家以光•电子产业为主体，集研发、生产、销售及进出口贸易为一体的现代企业集团，业务分布国内以及欧洲、日本、东南亚等国际市场。目前，昭信已获得专利300多项，其中已授权发明专利近50项。昭信自主研发的MOCVD设备通过科技成果鉴定，达到国际先进水平，被授予“中国LED首创奖”。

2010年，昭信集团推出了首台MOCVD设备，并提供给亚威朗和武汉迪源光电试用。2012年，广东昭信集团、昭信半导体装备公司及华中科技大学共同研发的昭信二代量产型MOCVD设备已通过广东省科技厅专家组鉴定，未来有望推向国内市场，昭信二代MOCVD设备是37片机。该设备比第一代设备在产出率和可靠性等方面都有显著提升，而价格仅为进口设备的一半，昭信也收获多项核心技术专利。