半導(dǎo)體晶圓材料基本框架

硅晶圓尺寸與制程對應(yīng)

12 英寸、8 英寸、6 英寸晶圓需求結(jié)構(gòu)

8 英寸晶圓需求結(jié)構(gòu)

晶圓尺寸對應(yīng)產(chǎn)品類型

制程-尺寸對應(yīng)下游應(yīng)用需求拆分

說明：12 英寸20nm 以下先進制程性能強勁，主要用于移動設(shè)備、高性能計算等領(lǐng)域，包括智能手機主芯片、計算機CPU、GPU、高性能FPGA、ASIC 等。14nm-32nm 先進制程應(yīng)用于包括DRAM、NAND Flash 存儲芯片、中低端處理器芯片、影像處理器、數(shù)字電視機頂盒等應(yīng)用。

12 英寸45-90nm 的成熟制程主要用于性能需求略低，對成本和生產(chǎn)效率要求高的領(lǐng)域，例如手機基帶、WiFi、GPS、藍牙、NFC、ZigBee、NORFlash 芯片、MCU 等。12 英寸或8 英寸90nm 至0.15μm 主要應(yīng)用于MCU、指紋識別芯片、影像傳感器、電源管理芯片、液晶驅(qū)動IC 等。8 英寸0.18μm-0.25μm 主要有非易失性存儲如銀行卡、sim 卡等，0.35μm 以上主要為MOSFET、IGBT 等功率器件。

晶圓材料演進

20 世紀50 年代，鍺（Ge）是最早采用的半導(dǎo)體材料，最先用于分立器件中。集成電路的產(chǎn)生是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)向前邁進的重要一步，1958 年7 月，在德克薩斯州達拉斯市的德州儀器公司，杰克·基爾比制造的第一塊集成電路是采用一片鍺半導(dǎo)體材料作為襯底制造的。

但是鍺器件的耐高溫和抗輻射性能存在短板，到60 年代后期逐漸被硅（Si）器件取代。硅儲量極其豐富，提純與結(jié)晶工藝成熟，并且氧化形成的二氧化硅（SiO2）薄膜絕緣性能好，使得器件的穩(wěn)定性與可靠性大為提高，因而硅已經(jīng)成為應(yīng)用最廣的一種半導(dǎo)體材料。

半導(dǎo)體器件產(chǎn)值來看，全球95%以上的半導(dǎo)體器件和99%以上的集成電路采用硅作為襯底材料。2017 年全球半導(dǎo)體市場規(guī)模約4122 億美元，而化合物半導(dǎo)體市場規(guī)模約200億美元，占比5%以內(nèi)。從晶圓襯底市場規(guī)?？?，2017 年硅襯底年銷售額87 億美元，GaAs襯底年銷售額約8 億美元。GaN 襯底年銷售額約1 億美元，SiC 襯底年銷售額約3 億美元。硅襯底銷售額占比達85%+。在21 世紀，它的主導(dǎo)和核心地位仍不會動搖。但是Si 材料的物理性質(zhì)限制了其在光電子和高頻、高功率器件上的應(yīng)用。

半導(dǎo)體市場份額（按材料）：

資料來源：SIA，Yole，中信證券研究部測算

20 世紀90 年代以來，以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）為代表的第二代半導(dǎo)體材料開始嶄露頭腳。GaAs、InP 等材料適用于制作高速、高頻、大功率以及發(fā)光電子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及發(fā)光器件的優(yōu)良材料，廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通訊、移動通訊、光通信、GPS 導(dǎo)航等領(lǐng)域。但是GaAs、InP 材料資源稀缺，價格昂貴，并且還有毒性，能污染環(huán)境，InP 甚至被認為是可疑致癌物質(zhì)，這些缺點使得第二代半導(dǎo)體材料的應(yīng)用具有很大的局限性。

第三代半導(dǎo)體材料主要包括SiC、GaN 等，因其禁帶寬度（Eg）大于或等于2.3 電子伏特（eV），又被稱為寬禁帶半導(dǎo)體材料。和第一代、第二代半導(dǎo)體材料相比，第三代半導(dǎo)體材料具有高熱導(dǎo)率、高擊穿場強、高飽和電子漂移速率和高鍵合能等優(yōu)點，可以滿足現(xiàn)代電子技術(shù)對高溫、高功率、高壓、高頻以及抗輻射等惡劣條件的新要求，是半導(dǎo)體材料領(lǐng)域最有前景的材料，在國防、航空、航天、石油勘探、光存儲等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用前景，在寬帶通訊、太陽能、汽車制造、半導(dǎo)體照明、智能電網(wǎng)等眾多戰(zhàn)略行業(yè)可以降低50%以上的能量損失，最高可以使裝備體積減小75%以上，對人類科技的發(fā)展具有里程碑的意義。

晶圓材料性質(zhì)比較

化合物半導(dǎo)體是指兩種或兩種以上元素形成的半導(dǎo)體材料，第二代、第三代半導(dǎo)體多屬于這一類。按照元素數(shù)量可以分為二元化合物、三元化合物、四元化合物等等，二元化合物半導(dǎo)體按照組成元素在化學(xué)元素周期表中的位置還可分為III-V 族、IV-IV 族、II-VI 族等。以砷化鎵（GaAs）、氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）為代表的化合物半導(dǎo)體材料已經(jīng)成為繼硅之后發(fā)展最快、應(yīng)用最廣、產(chǎn)量最大的半導(dǎo)體材料。

化合物半導(dǎo)體材料具有優(yōu)越的性能和能帶結(jié)構(gòu)：（1）高電子遷移率；（2）高頻率特性；（3）寬幅頻寬；（4）高線性度；（5）高功率；（6）材料選擇多元性；（7）抗輻射。因而化合物半導(dǎo)體多用于射頻器件、光電器件、功率器件等制造，具有很大發(fā)展?jié)摿?；硅器件則多用于邏輯器件、存儲器等，相互之間具有不可替代性。

化合物半導(dǎo)體材料

資料來源：全新光電，中信證券研究部

晶圓制備：襯底與外延工藝

晶圓制備包括襯底制備和外延工藝兩大環(huán)節(jié)。襯底（substrate）是由半導(dǎo)體單晶材料制造而成的晶圓片，襯底可以直接進入晶圓制造環(huán)節(jié)生產(chǎn)半導(dǎo)體器件，也可以進行外延工藝加工生產(chǎn)外延片。外延（epitaxy）是指在單晶襯底上生長一層新單晶的過程，新單晶可以與襯底為同一材料，也可以是不同材料。外延可以生產(chǎn)種類更多的材料，使得器件設(shè)計有了更多選擇。

襯底制備的基本步驟如下：半導(dǎo)體多晶材料首先經(jīng)過提純、摻雜和拉制等工序制得單晶材料，以硅為例，硅砂首先提煉還原為純度約98%的冶金級粗硅，再經(jīng)多次提純，得到電子級高純度多晶硅（純度達99.9999999%以上，9~11 個9），經(jīng)過熔爐拉制得到單晶硅棒。單晶材料經(jīng)過機械加工、化學(xué)處理、表面拋光和質(zhì)量檢測，獲得符合一定標準（厚度、晶向、平整度、平行度和損傷層）的單晶拋光薄片。拋光目的是進一步去除加工表面殘留的損傷層，拋光片可直接用于制作器件，也可作為外延的襯底材料。

襯底制備的基本步驟

資料來源：中信證券研究部整理

外延生長工藝目前業(yè)界主要包括MOCVD（化學(xué)氣相沉淀）技術(shù)以及MBE（分子束外延）技術(shù)兩種。例如，全新光電采用MOCVD，英特磊采用MBE 技術(shù)。相比之下，MOCVD技術(shù)生長速率更快，更適合產(chǎn)業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)，而MBE 技術(shù)在部分情況如PHEMT 結(jié)構(gòu)、Sb 化合物半導(dǎo)體的生產(chǎn)中更適合采用。HVPE（氫化物氣相外延）技術(shù)主要應(yīng)用于GaN 襯底生產(chǎn)。LPE（液相沉積）技術(shù)主要用于硅晶圓，目前已基本被氣相沉積技術(shù)所取代。

外延晶圓片結(jié)構(gòu)示意圖:

MBE 與MOCVD 技術(shù)對比

晶圓尺寸：技術(shù)發(fā)展進程不一

硅晶圓尺寸最大達12 寸，化合物半導(dǎo)體晶圓尺寸最大為6 英寸。硅晶圓襯底主流尺寸為12 英寸，約占全球硅晶圓產(chǎn)能65%，8 寸也是常用的成熟制程晶圓，全球產(chǎn)能占比25%。

GaAs 襯底主流尺寸為4 英寸及6 英寸；SiC 襯底主流供應(yīng)尺寸為2 英寸及4 英寸；GaN 自支撐襯底以2 英寸為主。SiC 襯底目前尺寸已達6 英寸，8 英寸正在研發(fā)（II-VI 公司已制造出樣品）。而實際上主流采用的仍為4 英寸晶圓。主要原因是（1）目前6 英寸SiC 晶圓大概是4 英寸成本的2.25倍，到2020 年大概為2 倍，在成本縮減上并沒有大的進步，并且更換設(shè)備機臺需要額外的資本支出，6 英寸目前優(yōu)勢僅在生產(chǎn)效率上；（2）6 英寸SiC 晶圓相較于4 英寸晶圓在品質(zhì)上偏低，因而目前6 英寸主要用于制造二極管，在較低質(zhì)量晶圓上制造二極管比造MOSFET 更為簡單。

GaN 材料在自然界中缺少單晶材料，因而長期在藍寶石、SiC、Si 等異質(zhì)襯底上進行外延?，F(xiàn)今通過氫化物氣相外延(HVPE)、氨熱法可以生產(chǎn)2 英寸、3 英寸、4 英寸的GaN自支撐襯底。目前商業(yè)應(yīng)用中仍以異質(zhì)襯底上的GaN 外延為主，GaN 自支撐襯底在激光器上具有最大應(yīng)用，可獲得更高的發(fā)光效率及發(fā)光品質(zhì)。

襯底晶圓材料對應(yīng)尺寸

外延生長對應(yīng)wafer 尺寸

不同晶圓尺寸發(fā)展歷程

化合物半導(dǎo)體材料（第二、三代半導(dǎo)體材料）

化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈

化合物半導(dǎo)體晶圓供給廠商格局：日美德主導(dǎo)，寡占格局

襯底市場：高技術(shù)門檻導(dǎo)致化合物半導(dǎo)體襯底市場寡占，日本、美國、德國廠商主導(dǎo)。GaAs 襯底目前已日本住友電工、德國Freiberg、美國AXT、日本住友化學(xué)四家占據(jù)，四家份額超90%。住友化學(xué)于2011 年收購日立電纜（日立金屬）的化合物半導(dǎo)體業(yè)務(wù)，并于2016年劃至子公司Sciocs。GaN 自支撐襯底目前主要由日本三家企業(yè)住友電工、三菱化學(xué)、住友化學(xué)壟斷，占比合計超85%。SiC 襯底龍頭為美國Cree（Wolfspeed 部門），市場占比超三分之一，其次為德國SiCrystal、美國II-VI、美國Dow Corning，四家合計份額超90%。近幾年中國也出現(xiàn)了具備一定量產(chǎn)能力的SiC 襯底制造商，如天科合達藍光。

化合物半導(dǎo)體供應(yīng)商競爭力

外延生長市場中，英國IQE 市場占比超60%為絕對龍頭。英國IQE 及中國***全新光電兩家份額合計達80%。外延生長主要包括MOCVD（化學(xué)氣相沉淀）技術(shù)以及MBE（分子束外延）技術(shù)兩種。例如，IQE、全新光電均采用MOCVD，英特磊采用MBE 技術(shù)。HVPE（氫化物氣相外延）技術(shù)主要應(yīng)用于GaN 襯底的生產(chǎn)。

化合物半導(dǎo)體外延廠商競爭力

化合物半導(dǎo)體晶圓下游應(yīng)用拆分：性能獨特，自成體系

化合物半導(dǎo)體下游具體應(yīng)用主要可分為兩大類：光學(xué)器件和電子設(shè)備。光學(xué)器件包括:

LED 發(fā)光二極管、LD 激光二極管、PD 光接收器等。電子器件包括PA 功率放大器、LNA低噪聲放大器、射頻開關(guān)、數(shù)模轉(zhuǎn)換、微波單片IC、功率半導(dǎo)體器件、霍爾元件等。對于GaAs 材料而言，SC GaAs（單晶砷化鎵）主要應(yīng)用于光學(xué)器件，SI GaAs（半絕緣砷化鎵）主要應(yīng)用于電子器件。

化合物半導(dǎo)體晶圓對應(yīng)下游應(yīng)用

光學(xué)器件中，LED 為占比最大一項，LD/PD、VCSEL 成長空間大。Cree 大約70%收入來自LED，其余來自功率、射頻、SiC 晶圓。SiC 襯底80%的市場來自二極管，在所有寬禁帶半導(dǎo)體襯底中，SiC 材料是最為成熟的。不同化合物半導(dǎo)體材料制造的LED 對應(yīng)不同波長光線：GaAs LED 發(fā)紅光、綠光，GaP 發(fā)綠光，SiC 發(fā)黃光，GaN 發(fā)藍光，應(yīng)用GaN藍光LED 激發(fā)黃色熒光材料可以制造白光LED。此外GaAs 可制造紅外光LED，常見的應(yīng)用于遙控器紅外發(fā)射，GaN 則可以制造紫外光LED。GaAs、GaN 分別制造的紅光、藍光激光發(fā)射器可以應(yīng)用于CD、DVD、藍光光盤的讀取。

電子器件中，主要為射頻和功率應(yīng)用。GaN on SiC、GaN 自支撐襯底、GaAs 襯底、GaAs on Si 主要應(yīng)用于射頻半導(dǎo)體（射頻前端PA 等）；而GaN on Si 以及SiC 襯底主要應(yīng)用于功率半導(dǎo)體（汽車電子等）。

GaN 由于功率密度高，在基站大功率器件領(lǐng)域具有獨特優(yōu)勢。相對于硅襯底來說，SiC襯底具有更好的熱傳導(dǎo)特性，目前業(yè)界超過95%的GaN 射頻器件采用SiC 襯底，如Qorvo采用的正是基于SiC 襯底的工藝，而硅基GaN 器件可在8 英寸晶圓制造，更具成本優(yōu)勢。在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域，SiC 襯底與GaN on Silicon 只在很小一部分領(lǐng)域有競爭。GaN 市場大多是低壓領(lǐng)域，而SiC 在高壓領(lǐng)域應(yīng)用。它們的邊界大約是600V。

各種材料工藝對應(yīng)輸出功率及頻率

GaN 與SiC 功率器件應(yīng)用范圍對比

資料來源：Yole，中信證券研究部

智能手機：IC 設(shè)計率先追趕，代工、材料尚待突破

智能手機核心芯片涉及先進制程及化合物半導(dǎo)體材料，國產(chǎn)率低。以目前國產(chǎn)化芯片已采用較多的華為手機為例可大致看出國產(chǎn)芯片的“上限”。

智能手機內(nèi)部芯片對應(yīng)工藝-華為P20

智能手機內(nèi)部芯片對應(yīng)工藝- iPhone X

通信基站：大功率射頻芯片對美依賴性極高

通信基站對國外芯片依賴程度極高，且以美國芯片企業(yè)為主。美國廠商壟斷大功率射頻器件。

基站通信設(shè)備主要芯片

汽車電子：產(chǎn)業(yè)技術(shù)日趨成熟，部分已實現(xiàn)國產(chǎn)化

汽車電子對于半導(dǎo)體器件需求以MCU、NOR Flash、IGBT 等為主。

汽車內(nèi)部芯片

AI 與礦機芯片：成長新動力，國內(nèi)設(shè)計廠商實現(xiàn)突破

AI 芯片與礦機芯片屬于高性能計算，對于先進制程要求較高。

AI 核心芯片簡要梳理

主流礦機芯片對比

在AI 及區(qū)塊鏈場景下，傳統(tǒng)CPU 算力不足，新架構(gòu)芯片成為發(fā)展趨勢。當前主要有延續(xù)傳統(tǒng)架構(gòu)的GPU、FPGA、ASIC（TPU、NPU 等）芯片路徑，以及徹底顛覆傳統(tǒng)計算架構(gòu)，采用模擬人腦神經(jīng)元結(jié)構(gòu)來提升計算能力的芯片路徑。云端領(lǐng)域GPU 生態(tài)領(lǐng)先，而終端場景專用化是未來趨勢。根據(jù)NVIDIA 與AMD 公布的技術(shù)路線圖，2018 年GPU 將進入12nm/7nm 制程。而目AI、礦機相關(guān)的FPGA 及ASIC 芯片也均采用了10~28nm 的先進制程。國內(nèi)廠商涌現(xiàn)了寒武紀、深鑒科技、地平線、比特大陸等優(yōu)秀的IC 設(shè)計廠商率先實現(xiàn)突破，而制造則主要依靠臺積電等先進制程代工廠商。