一文看懂MOCVD | 半導體行業觀察

據麥姆斯諮詢報道，美國專利商標局（USPTO）本周二授予了蘋果公司（Apple）一項有關壓力感測器的專利，未來蘋果可能使用Face ID的VCSEL（垂直腔面發射激光器）技術，改進未來iPhone的3D Touch功能。

兩年前，蘋果手機曾發布3D人臉識別功能，將VCSEL技術帶入了公眾視野。這是繼2017年後，第二次蘋果將VCSEL技術推向台前。

MOCVD是VCSEL的關鍵

過去，VCSEL主要作為一種低成本運動跟蹤和數據傳輸的光源技術用於計算機滑鼠、激光印表機和光纖通信。1996年，VCSEL首次被應用了到光通信中,尤其在短距離光通信領域，850 nm VCSEL成為了理想的光源之一。而後，3D人臉識別出現，為940 nm VCSEL的發展提供了契機。至此，由以光通信為主的850 nm慢慢轉向以應用於消費級設備為主的940 nm。

除此之外，人們還發現在AR、VR、汽車智能輔助駕駛和人工智慧等應用場景下，VCSEL也有極其優越的表現。其中，具有更高功率要求的激光雷達等汽車應用，需要使用更大的VCSEL陣列。

但是，VCSEL的製造工藝非常複雜，尤其依賴於MOCVD（金屬有機物氣相沉積）工藝。

Veeco產品營銷總監Mark McKee認為：「發展VCSEL技術，需要採購更多的金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）系統，以保證製造產能加速跟上激光雷達系統的需求。現在的問題是如何實現最高的性能和最高的產率以滿足市場需求。而這需要基於業界領先的MOCVD技術。」

可見，MOCVD技術對於VCSEL發展的重要性。那麼，MOCVD是什麼？

什麼是MOCVD？

MOCVD是1968年由美國洛克威公司的manasevit等人提出製備化台物單晶薄膜的一項新技術，到80年代初得以實用化。從定義上來看，MOCVD是在氣相外延生長(VPE)的基礎上發展起來的一種新型氣相外延生長技術。

在金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）技術中，反應氣體在升高的溫度下在反應器中結合以引起化學相互作用，將材料沉積在基板上。在MOCVD中，將超純氣體注入反應器中並精細計量以將非常薄的原子層沉積到半導體晶片上。含有所需化學元素的有機化合物或金屬有機物和氫化物的表面反應為晶體生長創造條件，形成材料和化合物半導體的外延。不同於傳統的硅半導體，這些半導體可以包含的組合III族和V族，II族和VI族，IV族或第IV族，V和VI族的元素。

經過近20年的飛速發展，MOCVD成為了目前半導體化台物材料製備的關鍵技術之一。廣泛應用於包括半導體器件、光學器件、氣敏元件、超導薄膜材料、鐵電/鐵磁薄膜、高介電材料等多種薄膜材料的製備。

據維基百科資料顯示，進行MOCVD的反應器必須承受高溫。反應室由反應器壁，襯管，基座，氣體注入單元和溫度控制單元組成。通常，反應器壁由不鏽鋼或石英製成。陶瓷或特殊玻璃，例如石英，通常用作反應器壁和基座之間的反應室中的襯裡。為防止過熱，冷卻水必須流過反應器壁內的通道。基板位於受控溫度的基座上。感受器由耐受所用金屬有機化合物的材料製成。對於生長氮化物和相關材料，石墨基座上的特殊塗層（通常為氮化硅）是防止氨（NH3）氣體腐蝕所必需的。

MOCVD設備

據立木信息諮詢發布的《中國MOCVD設備市場調研與投資戰略報告（2019版）》顯示：MOCVD設備可用於LED、功率器件等多個領域，是LED晶元生產過程中最為關鍵的設備，其工藝、技術極為複雜，也是LED晶元製造環節中最為昂貴的設備，佔據LED外延晶元幾乎一半的成本。

根據東方財富證券對三安光電的深度研究報告中顯示，截止 2018 年，三安光電公司主要生產設備 MOCVD 預計可達近 400 台（摺合 2 英寸 54 片機數量），產能全國佔比近 30%。其中，廈門三安曾於2014年9月26日向德國AIXTRON SE訂購50台MOCVD設備，設備總價款為130,000,000美元。

平均下來，生產型MOCVD設備的售價高達1000～2000萬元。而根據機型，6片機售價大概在70萬美元左右，9片機100萬美元左右，加上相關配套設備設施，一條產線LED生產線需要投入4000 多萬元。

MOCVD設備這麼昂貴，都有哪些玩家可以供給這種設備？

MOCVD設備廠商有哪些？

據立木信息諮詢消息，全球MOCVD市場的複合年平均增長率將在2021年之前增長到14%，市場規模將從2016年的6.148億美元增加到2021年的11.628億美元。

目前，美國的Veeco、德國AIXTRON、日本的NIPPON Sanso和Nissin Electric是起步較早的MOCVD設備供應商。但由於日本對MOCVD設備實行出口限制政策，因此，全球MOCVD市場基本被Veeco和AIXTRON壟斷。同時，這兩家MOCVD設備公司還一致預測，2022年全球將有250台左右量產型機台專門生長VCSEL所需外延片，達到當前全球LED市場所需MOCVD機台數的1/6左右。

同時也有消息稱，現階段台灣外延廠商在技術上已經具備生產4英寸和6英寸的能力。大陸方面，我國涉足MOCVD設備的企業也在不斷增多，其中，中晟光電、廣東昭信、中微半導體等企業已經取得了一定成果。

Veeco

Veeco於1945年由兩位曼哈頓計劃科學家Frank Raible和Al Nerken合併而成，他們創建了氦氣檢漏儀。

Veeco的新型EPIK 868 MOCVD系統是LED行業生產率最高的MOCVD系統，與前幾代相比，每片晶圓的成本降低了約22％。EPIK 868採用四反應器配置，採用突破性技術，包括專有的IsoFlange和TruHeat技術，可在整個晶圓載體上提供均勻的層流和均勻的溫度分布。這些技術創新產生波長均勻性，以在更緊密的箱中提高產量。EPIK 868系統與EPIK 700系統相比，具有2.3倍的吞吐量優勢，因為它具有更大的反應器容量和晶圓載具尺寸。EPIK 868專為批量生產而設計，可容納124x4「和48x6」晶圓載具尺寸。

AIXTRON

Aixtron SE是一家總部位於德國的歐洲技術公司，專門為半導體行業的客戶製造金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）設備。2016年10月，中國福建大晶元投資基金LP希望收購Aixtron，但德國經濟部撤回了對該收購的批准。

AIXTRON與SemiLEDs在2009年5月就合作開發出6寸藍光LED晶元，在6x6寸AIX 2800G4 HT MOCVD反應爐的結構上，產量增加約30%(相較於傳統42x2-inch的架構)，不但均勻性較好，也減少了邊緣效應。不過就現階段而言，大多數的困難仍然在於6寸的基板價格偏高與外延片切割技術的挑戰。

AIXTRON公司最先進的獨特的行星轉盤技術應用在大型G4 2800HT 42*2」以及Thomas Swan(1999年被AIXTRON收購) CCS Crius 30*2」 MOCVD系統，使得AIXTRON的MOCVD設備被公認為世界上技術和商業價值最完美的結合。

NIPPON Sanso

Taiyo Nippon Sanso Corporation ，俗稱TNSC，是一家日本跨國工業氣體製造商，於1918年成立為Nippon Sanso Corporation。該公司是日本最大的工業氣體生產商，也是全球五大工業氣體供應商之一。其公司，在電子材料和設備方面，主要可以提供包括高純度氣體，氣體混合物，凈化設備和其他硬體和服務，為電子行業提供穩定的氮氣和各種原料氣體供應。他們還提供小型氮氣發生器，MOCVD設備和廢氣減排系統等設備。

日本SANSO公司生產的GaN-MOCVD設備性能優良，但僅限日本市場銷售。

華芯半導體

華芯半導體科技有限公司位於泰州市姜堰區現代科技產業園,總投資50億元,其中一期投資12億元,佔地面積90餘畝,建築面積50000平米 公司擁有國際先進的外延金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)設備、晶元工藝設備和封裝設備等,主要從事尖端化合物半導體光電子晶元及其應用產品的研究、開發與生產。 公司主要產品為藍綠光半導體激光晶元、VCSEL半導體激光晶元、DFB、EML半導體激光晶元及其封裝模塊。

2017年，華芯半導體科技有限公司與北京工業大學激光工程研究院合作，開發出基於完全自主開發外延生長技術的VCSEL產品並投入量產。在完全自主研製940 nm VCSEL的過程中,發現VCSEL結構的合理設計,通過金屬有機化合物氣相外延(MOCVD)技術對材料進行精準生長以及複雜的晶元工藝是能否成功研製出VCSEL的關鍵。

中微半導體

2018年11月，南昌以LED光電產業為核心的「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，引進了中微半導體設備（上海）有限公司，從而使LED產業告別了只能從美國進口核心裝備MOCVD的歷史。中微半導體設備公司高端裝備MOCVD生產項目的落戶，為江西LED產業的核心競爭力注入了新的血液。

2017年，中微半導體宣布，其MOCVD設備Prismo A7機型出貨量已突破100台，邁向重要里程碑，包括三安光電和華燦光電等設備可容納多達4個反應腔，同時加工136片4吋磊晶元，由於持續接到新訂單，中微預計2017年底可望出貨約120台MOCVD設備。

中晟光電

自2012年底成功出廠了中國首台具有世界先進水平的大型國產MOCVD設備後，其已於去年年底成立控股子公司中晟科技（南昌）有限公司，在這裡，MOCVD設備、硅基GaN外延晶元都將實現大規模量產。

據介紹，中晟光電的MOCVD具有4個核心的差異競爭力：具有目前世界上最高的系統產能、具有最低的外延生產成本、具有良好的波長均勻性、具有大規模外延生產所需的各項關鍵性能。這些核心競爭力是著重解決目前大規模LED生產急需解決的關鍵問題，尤為重要的是，這些核心差異競爭力都具有自主創新的知識產權。

如今，中晟光電MOCVD機台已被包括三安光電、華燦光電、圓融光電、聚燦光電、華磊、合肥彩虹藍光、能華等在內的國內晶元廠導入。

廣東昭信

廣東昭信集團股份有限公司是有著50多年發展歷程的民營企業，是一家以光?電子產業為主體，集研發、生產、銷售及進出口貿易為一體的現代企業集團，業務分布國內以及歐洲、日本、東南亞等國際市場。目前，昭信已獲得專利300多項，其中已授權發明專利近50項。昭信自主研發的MOCVD設備通過科技成果鑒定，達到國際先進水平，被授予「中國LED首創獎」。

2010年，昭信集團推出了首台MOCVD設備，並提供給亞威朗和武漢迪源光電試用。2012年，廣東昭信集團、昭信半導體裝備公司及華中科技大學共同研發的昭信二代量產型MOCVD設備已通過廣東省科技廳專家組鑒定，未來有望推向國內市場，昭信二代MOCVD設備是37片機。該設備比第一代設備在產出率和可靠性等方面都有顯著提升，而價格僅為進口設備的一半，昭信也收穫多項核心技術專利。

文/半導體行業觀察 蔣思瑩

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