Yole半導體制造技術與市場分析師Vishnu Kumaresan博士說：“我們正處于一個關鍵的歷史時期，我們周圍的每一臺設備都在變得更加智能、綠色和緊湊。”他補充道：“即使是令人痛苦的新冠疫情也通過進一步加快技術創新對半導體行業產生了積極影響。在這樣一場利用超越摩爾定律（MtM）的方法為我們的日常設備增加更多功能的創新競賽中，PPAC（功耗power、性能performance、面積area、成本cost）系數不僅通過縮減而且通過使用非硅材料和異構將其彼此集成。”

外延設備市場預期

2020年超越摩爾定律應用的外延設備銷售額約為6．92億美元，Yole預測，到2026年，包括功率和光電應用關鍵的MOCVD（金屬有機化學氣相沉積）、HTCVD（高溫化學氣相沉積）和MBE（分子束外延設備）外延設備市場將達到11億美元，復合年增長率為8％。

外延材料外延設備市場演變

從外延設備市場預測中可以看出，每一年的增長內容都有所不同，但其中的主流是氮化鎵（GaN）功率器件、碳化硅（SiC）和MicroLED顯示。

外延設備市場預測（單位：百萬美元）

然而，這些數字并不能說明外延步驟在汽車（EV／HEV）、消費（智能手機、智能手表、AR／VR）和航空航天與國防等關鍵市場應用中的生命力和無所不在。令人感興趣的是，HVM（大批量制造商）中使用的這些復雜外延設備系統僅由極少數參與者提供，包括主流前端市場中不太知名的一些參與者。

在2020年至2026年期間，各種應用促進了外延設備需求的增長。其中值得關注的將是功率電子和光電子。

從2020年外延設備供應商市場份額來看，外延設備廠商的收入排名變化不大，盡管Veeco似乎失去了相當大的市場份額。德國的愛思強（Aixtron）仍然是市場領導者，其次是美國的維易科（Veeco）和來自中國的中微半導體（AMEC）。

2020年外延設備市場份額

競爭格局紛繁復雜

Yole的《超越摩爾2021年外延設備》報告通過對半導體制造的研究，分析外延設備市場的現狀發現，目前能夠滿足對大需求量的只有極少數設備供應商。在11家超越摩爾定律領域的主要外延設備供應商中，前三名在營收方面所占市場份額超過60％。

然而，這個市場比較復雜。從競爭格局來看，外延設備市場被三個不同類別的外延設備制造商占據：

第一類是頂級半導體設備供應商，例如硅基器件前端制造工藝領域的東京電子公司（Tokyo Electron）和應用材料公司（Advanced Materials），主要為外延工藝提供改進的化學氣相沉積設備，但它們通常不參與MOCVD領域的競爭。2019年6月，東京威力科創也加入了遵守美方“實體名單”停止與華為半導體業務的行列。

第二類是專業的MOCVD設備供應商，例如前三強Aixtron、Veeco和中微半導體，它們分別開發專門用于固態照明的設備，而射頻前端供應商在該領域沒有任何產品。

第三類是來自功率半導體領域的碳化硅產業或高水平射頻應用的設備供應商，提供高溫化學氣相沉積設備。

事實上，其他各類前端設備巨頭也占有一席之地，包括：ASM International是原子層沉積（ALD）領域全球最大、占有率最高的ALD設備供應商，在外延生長、增強等離子體化學氣象沉積（PECVD）等領域也頗多斬獲。中國的北方華創（Naura）主要從事干法蝕刻設備的生產，在物理氣相沉積（PVD）領域實現了國內高端薄膜制備設備的突破，設備涵蓋90－14納米多工序；還有一些特定領域的競爭企業，如大陽日酸株式會社（工業氣體和空分設備）、株式會社紐富來科技（電子束掩膜光刻、掩膜檢測和外延生長設備）、LPE（硅和化合物半導體材料外延設備），以及一些中國初創企業。

看看主要外延設備供應商的設備組合，頂級CVD（化學氣相沉積）半導體設備供應商、III－V化合物半導體專業MOCVD制造商，以及碳化硅功率和高端射頻行業的外延反應器（CVD、MBE）主要有以下幾家。

外延設備供應商設備組合

技術趨勢直接轉化為設備需求

2020年和2021年加速的技術趨勢將直接轉化為設備需求。從技術角度來看，MOCVD覆蓋了大部分III－V外延，而高溫CVD是硅和碳化硅器件的主流沉積技術。從歷史上看，MOCVD是基于氮化鎵的傳統LED等商品器件所必需的。不過，越來越多的高端應用，如快速充電器、微型LED顯示器和用于3D傳感的VCSEL，將推動未來幾年的需求。

對于HTCVD而言，主要市場仍然是基于硅和碳化硅外延材料的功率應用，主要部署在汽車和工業等細分市場。作為第三種技術，分子束外延已經作為MOCVD的潛在競爭解決方案應用于小批量、高性能要求的應用中。雖然MOCVD和HTCVD在2020年的總收入約為6．5億美元，但MBE的收入仍然有限，估計僅略高于4000萬美元。這是因為MBE用戶主要集中在試驗生產線和研發應用上，而在射頻和VCSEL器件的批量生產上，這只占一小部分。考慮到所有這三種器件類型，廣泛應用的需求將直接轉化為不同組外延材料的增長，特別是碳化硅在中國的需求量很大。

預計到2026年，氮化鎵仍將是收入最高的表面活性物質類型。然而，由于汽車和工業市場的強勁需求，碳化硅預計將以10％的復合年增長率增長。

Yole認為，在許多情況下，2020年和2021年對外延設備的投資是戰略性的，而不是實際的市場需求。預計2021年設備市場將增長15％，這種勢頭將持續到2022年。為了解釋這一跳躍，還必須考慮各種宏觀經濟因素加速了器件級的技術轉型。例如，氮化鎵和碳化硅正以閃電般的速度滲透到汽車和消費品市場。總的來說，這些材料向非硅晶圓的過渡以及向更大晶圓直徑的過渡的速度也比先前預期的要快。

外延設備的機會在哪里？

外延設備在超越摩爾定律時代有著巨大的市場機會，隨著應用范圍的擴大，硅市場以及包括砷化鎵（GaAs）、氮化鎵、碳化硅和磷化銦（InP）等非經典襯底在內的其他市場正在以顯著的復合年增長率增長。然而，這些材料的選擇具有嚴格的質量要求，因此需要使用MOCVD、MBE和HTCVD等外延設備生長超純薄膜和納米結構。而且，這類設備的類型和型號選擇不僅取決于技術約束，還取決于工廠動態，如投資回報率、設備正常運行時間、供應鏈協同效應等。

與超越摩爾定律高度相關的設備和襯底類型如下所示。

設備和襯底類型

按照應用劃分，化合物半導體廣泛應用于激光二極管、顯示器、射頻和功率電子器件，需要使用的設備類型如下所示。

應用和設備類型劃分

超越摩爾定律的技術節點涵蓋180nm到7nm，在這樣一場競相提高產品功耗／性能／面積／成本（PPAC）的競賽中，主流微電子應用主要使用縮減的方法來提高PPAC系數。在超越摩爾定律方法中，PPAC系數不僅要通過縮減，而且要通過使用非硅材料以及通過彼此的異構集成而得到改善。

改進半導體器件的途徑

超越摩爾定律需要技術和襯底多樣化，這些都對應不同的應用和市場。

超越摩爾定律需要的襯底

在外延材料及其應用方面，一些是傳統應用，另一些正在生產，還有一些在研發和進行可行性研究。

應用所需的外延層襯底

中國成為外延設備主要驅動力

動態的地緣政治形勢加劇了外延設備供應商競爭格局的變化。很少有設備供應商能夠滿足對設備的大規模需求。2018年以來，前三強主導地位并不令人驚訝，但到2020年間，Aixtron的市場份額增加了10％，而Veeco的市場份額下降了15％。其中一個原因是美中貿易緊張，半導體行業是其主戰場之一。

這場戰爭的影響在外延設備領域更加明顯，因為需求主要是由中國驅動的。因此，2020年是Aixtron在中國銷售最好的年份之一，其約57％的收入來自該地區，而Veeco只有13％的收入來自中國。

2021年第三季度，Aixtron繼續報告強勁的訂單量，前九個月訂單量和收入達到2012年以來最高水平，與去年同期相比，訂單量增加了80％，達到3．776億歐元。其設備在GaN和SiC功率電子應用、無線和光學數據通信及LED應用方面的需求尤為突出。所以，Aixtron仍然是整個外延設備市場的領導者，Veeco保持其第二位（得益于2020年MBE收入的提高）。

中微半導體緊隨其后排在第三位，為LED器件交付了大量設備。隨著地緣政治形勢的演變和供應鏈的日益脆弱，預計未來幾年設備供應商之間的競爭將進一步加劇。

外延設備供應商分布

毋庸置疑，外延設備是超越摩爾定律應用中關鍵器件的基礎。在全球設備高景氣行情下，本土設備廠商將充分受益于國產替代。以中微半導體為例，其MOCVD設備成功打破國外壟斷，在GaN基LED MOCVD市場份額領先。

作為MOCVD市場的后起之秀，中微半導體于2012年推出首臺MOCVD設備切入LED市場，2016年推出第二臺MOCVD設備，成功打破國外公司在LED用MOCVD設備市場的壟斷。據Gartner數據，2020年全球MOCVD設備占薄膜沉積設備市場4％，為8億美元，2020－2026年CAGR達8．5％，中微市占率為16％，排名第三。

目前中微客戶覆蓋亞洲主要LED廠商，近幾年在GaN基LED用MOCVD設備細分市場中份額一直領先。

根據Gartner預測，2022年中國半導體行業資本投入可達279．71億美元，創歷史新高。與此同時，國際政治、經濟局勢緊張，外部挑戰也將倒逼我國半導體行業提高產業鏈發展水平。內外部因素的共同推動將使國內半導體生態圈逐步完善，各類設備均有望實現快速增長。

現在，中國大陸正處于智能汽車、物聯網、人工智能、5G通信等行業快速崛起的進程中，已成為全球最重要的半導體應用和消費市場之一。終端應用產品需求擴張、國家戰略支持以及本土企業的技術突破，我國半導體設備企業正迎來機遇，在國產替代方面有望取得歷史性突破。