1、2016年10月新材料在线80+页PPT全方位解读半导体行业Copyright 引言半导体在全球科技和经济的发展中具有着无可替代的地位，半导体行业可以说是现代科技的象征。与此同时，我国已经成为全球半导体主要市场，2014年我国半导体市场需求已占全球比重59%，说中国半导体市场已成为全球增长引擎。中国半导体市场需求全球占比但与需求不断上涨相对的是，中国目前半导体产能仅占全球27%，自给率不到3成。我国目前半导体技术还处在起步阶段，与欧美日韩以及台湾地区相比还有这巨大差距，每年半导体进口总额达千亿美元。随着2015年半导体行业并购超级浪潮的掀起，中国半导体行业迎来的新的发展机会。为此，小编决定带大

2、家了解一下这个风险与机遇并存的行业。42.40%47.70%54.10%55.80%59.30%0.00%10.00%20.00%30.00%40.00%50.00%60.00%70.00%200132014Copyright Source：中国产业信息二、半导体产业链分析五、碳化硅市场研究报告三、单晶硅市场研究报告八、半导体产业现状及发展趋势一、半导体基础知识简介四、砷化镓市场研究报告六、氮化镓市场研究报告七、半导体企业分析Copyright 01 什么是半导体材料？Copyright 半导体是指一种导电性可受控制，范围可从绝缘体至导体之间的材料。无论从科技或是经济发展

3、的角度来看，半导体的重要性都是非常巨大的。今日大部分的电子产品，如计算机、移动电话或是数字录音机当中的核心单元都和半导体有着极为密切的关连。常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等，而硅更是各种半导体材料中，在商业应用上最具有影响力的一种。半导体存在的意义半导体（ semiconductor），指常温下导电性能介于导体（conductor）与绝缘体（insulator）之间的材料。02 半导体材料如何分类？Copyright 常用的半导体材料分为元素半导体和化合物半导体。 元素半导体是由单一元素制成的半导体材料。主要有硅、锗、硒等，以硅、锗应用最广。 化合物半导体即是指由两种或两种以上元素以确定的原

4、子配比形成的化合物，并具有确定的禁带宽度和能带结构等半导体性质。 包括第和第族化合物（砷化镓、磷化镓等）、第和第族化合物（ 硫化镉、硫化锌等）、氧化物（锰、铬、铁、铜的氧化物）,以及由-族化合物和-族化合物组成的固溶体（镓铝砷、镓砷磷等）。硅半导体锗半导体磷化镓硫化锌03 半导体材料的发展历程第一代半导体第二代半导体第三代半导体主要材料：Si Ge技术标志水平：大的晶片尺寸，窄的线条宽度（如12 英寸/0.15 微米技术）主要产品形式：以大规模集成电路为主要技术的计算机等电子产品主要材料：砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）等-砷化物和磷化物技术标志水平：使通讯速度、信息容量、存储密度大幅提高

5、主要产品形式：以光发射器件为基础的光显示、光通讯和光储存等光电子系统主要材料：碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、硒化锌（ZnSe）、金刚石、氮化铝（AlN）等宽禁带半导体材料为主技术标志水平：禁带宽度更高主要产品形式：制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件Copyright 体单晶生长垂直生长直拉法悬浮区熔法垂直梯度凝固法垂直布里奇曼法水平生长水平布里奇曼法04 半导体材料制备方法外延生长液相外延汽相外延物理汽相沉淀化学汽相沉淀分子束外延片状晶生长D-Web技术S-R技术EFG技术Copyright 工艺优势劣势对象直拉法完整性很高，生长率和晶体尺寸好高温下石英容器

6、会污染熔体，造成晶体的纯度降低；不能生产出电阻率均匀的单晶体硅磁控直拉法氧含量可控、杂质条纹轻、微缺陷密度低、寿命长质量数据少，磁体体积耗电量大硅，化合物半导体液封直拉法适合制作高离解压的磷化物等单晶，简便可靠无法制作II-VI族化合物单晶GaAs、InP、GaP等区熔法纯度高，质量好；没有沾污工艺烦琐，生产成本较高；产量低锗、硅、GaAs等垂直梯度凝固设备简单，温度梯度小、错密度较低不便实时观察，要多次实验，成品率低GaAs、InP、GaP等垂直布里奇曼受热均匀，设备简单，表面不解离工艺重复性较差，成品率低GaAs、InP、GaP等水平布里奇曼设备较简单，温度梯度较小，可生长低EPD单晶难生

7、长非掺杂半绝缘GaAs，加工会损失GaAs等05 半导体材料制备方法 体单晶生长工艺优势劣势对象片状晶生长D-Web晶体质量好，可得到单晶工艺稳定性差，生产效率很低主要是太阳能硅晶体S-R工艺稳定性好，质量稳定只能制备多晶主要是太阳能硅晶体EFG生产效率极高晶体质量差，只能制备多晶主要是太阳能硅晶体工艺优势劣势对象外延生长液相外延设备简单，生长快，掺杂剂广，完整性好，纯度高方向上控制掺杂和多元化合物组合均匀性困难Si、GaAs、GaAlAs、GaP等气相外延可制造较厚外延层，可任意改变杂质浓度导电类型温度高，生长时间长Si、GaAs等分子束外延温度低，完全清洁，可随意调整生长速度极慢超晶格Co

8、pyright 片状晶生长 外延生长二、半导体产业链分析五、碳化硅市场研究报告三、单晶硅市场研究报告八、半导体产业现状及发展趋势一、半导体基础知识简介四、砷化镓市场研究报告六、氮化镓市场研究报告七、半导体企业分析Copyright 06 半导体产业链Copyright 上游材料IP供应设备IC设计晶圆制造封装测试中游4C光伏LED电网下游07 半导体上游分析半导体设备半导体设备是半导体产业发展的基础，也是半导体产业价值链顶端的“皇冠”。从全球范围看，亚洲是目前半导体设备销售量最高的地区，整体销量缓慢上升，总销量台湾地区排名第一。北美地区2015年半导体设备销售量大幅下滑37%，欧洲地区销售量下

9、滑19%。9.416.844.188.164.372.382.159.647.475.495.124.91.941.97024681012台湾南韩日本北美中国大陆欧洲其余销量（十亿美元）各国半导体设备销量20142015Copyright 来源：Source：SEMI.08 半导体上游分析半导体材料相较于半导体设备，半导体材料所受到的关注通常较小。不过在过去的8年中，半导体材料的市场一直要比半导体设备的市场要更大。半导体材料的技术壁垒较高，生产主要集中在台湾、日韩及北美地区等少数大型企业上。台湾地区维持了6年头把交椅，中国大陆市场规模增速远高于其他地区，全球占比上升至13%。9.67.037.

10、0156.013.016.399.417.166.575.046.123.056.05024681012台湾南韩日本北美中国欧洲其余销量（十亿美元）各国半导体材料销量20142015Copyright Source：SEMI.09 半导体中游分析在半导体芯片行业企业的模式分为三种:IDM（Integrated Design and Manufacture）IDM公司指的是从芯片设计到晶圆制造再到封测投入市场等所有的项目都由自己一手包办。全球最大的两家半导体企业英特尔和三星就是IDM公司。FablessFabless公司是指该公司只负责设计，公司并没有自己的半导体Fab（制造工厂）。高通、AMD

11、等企业就属于此类公司。Foundry与Fabless应运而生的就是Foundry（代工厂）了。这类公司自身并不设计芯片，而是通过与Fabless合作，为其代理加工制造晶圆。台积电就属于Foundry中的佼佼者，在晶圆代工市场中拥有超过了50%的占有率。Copyright 10 半导体中游分析2015在半导体市场零成长的情况下，晶圆产能依旧在持续上升。2015年全球半导体厂月产能达1,635.0万片8英寸约当晶圆。全球前十大厂商中，总部位于美国的有4家，来自韩国与台湾的分别有2家，日本与欧洲各1家。三星(Samsung)是以安装晶圆产能最高的半导体厂商，每月产能为250万片8寸晶圆，占全球总产能

12、的15.5%；台积电以11.6%的市占率排名第二，相比2014年其产能增长了14%。2012年至2014年连续三年，全球晶圆代工市场保持两位数的成长趋势。2015年因设备市场成长趋缓，让半导体制造商在决定晶圆代工订单时趋于保守。2015年全球半导体代工市场成长4.4%，为488亿美元。Copyright 11 半导体中游分析近年来，随着消费者要求的不断提高，电子产品不仅在性能和速度方面需要进步，在产品外观，功能，上市时间及成本正在成为关键因素，封装测试因此显得尤为重要。2014年全球半导体封装产值达525亿美元。近两年由于IC产业需求趋于平缓，预估2016年封测产值将略微下滑，达506亿美元。

13、47.449.852.550.850.6444648505254200152016（预测）产值（十亿美元）全球半导体封测产值Copyright Source：拓墣产业研究所12 半导体下游分析在经历了2013年6.4%和2014年8.3%的增长后，2015年全球半导体销售额2015年下降了2%，主要是受到日本经济萎缩和欧洲危机影响，无线通信和消费类电子等下游市场的需求不足阻碍了半导体市场增长。2015年计算机和通信领域占集成电路应用占比高达73%。2015年世界电子产品集成电路应用占比35.20%38.10%12.20%7.90%5.90%0.70%计算机通信消费电子汽车

14、工业/医疗军事/政府Copyright 二、半导体产业链分析五、碳化硅市场研究报告三、单晶硅市场研究报告八、半导体产业现状及发展趋势一、半导体基础知识简介四、砷化镓市场研究报告六、氮化镓市场研究报告七、半导体企业分析Copyright 13 单晶硅定义与特点Copyright 电阻率特性：导电性明显受光、电、磁、温度等因素的影响。p-n结特性：n型和p型半导体材料相连，组成p-n结，具有单向导电性。光电特性：p-n结在光的左右下能产生电流，如太阳电池。什么是单晶硅？特性形态单晶硅棒单晶方棒单晶硅片硅的单晶体，具有基本完整的点阵结构。不同的方向具有不同的性质，是一种良好的半导材料。纯度要求达到9

15、9.9999%，甚至达到99.9999999%以上。用于制造半导体器件、太阳能电池等。14 单晶硅制备方法单晶硅的制备方法有直拉法（CZ法）、区熔法（Fz法）和外延法，其中直拉法和区熔法用于制备单晶硅棒材。区熔硅单晶的最大需求来自于功率半导体器件。项目直拉法区熔法炉子直拉炉区熔炉工艺有坩埚，电阻加热无坩埚，高频加热直径能生长450mm单晶能生长200mm单晶纯度氧、碳含量高、纯度受坩埚污染纯度较高少子寿命低高电阻率中低电阻，轴向电阻率分布不均匀能生产电阻率超过104的单晶应用晶体管、二极管、集成电路高压整流器、可控硅、探测器、也可制作晶体管、集成电路投资投资较小是直拉法的数倍优点工艺成熟，设备

16、简单；可大规模生产。纯度很高，电学性能均匀缺点纯度低、电阻率不均匀工艺烦琐，生产成本较高；直径很小，机械加工性差工艺流程多晶硅的装料熔化种晶缩颈放肩收尾多晶硅棒料打磨、清洗装炉高频电力加热籽晶熔接缩颈放肩结束直拉法和区熔法的比较Copyright 15 单晶硅片生产及工艺流程单晶硅是从大自然丰富的硅原料中提纯制造出多晶硅，再通过区熔或直拉法生产出区熔单晶或直拉单晶硅，进一步形成硅片、抛光片、外延片等。工业生产中对硅的需求主要来自于两个方面：半导体级和光伏级。半导体单晶硅片加工工艺流程切断（割断）抛光化学腐蚀滚圆切片倒角磨片注：不同工艺还需要进行不同程度的化学清洗。光伏电池用单晶硅加工工艺流程切

17、断（割断）化学腐蚀切片滚圆（切方块）单晶硅制备工艺流程石英砂冶炼级多晶硅高纯多晶硅光伏级单晶硅半导体级单晶硅直拉法区熔法Copyright 16 单晶硅的分类及应用单晶硅种类制作的器件应用状态CZ单晶二极管、晶体管、太阳能切、磨片CZ单晶双极IC，MOS，CMOS IC（吸除）抛光片MCZ单晶CCD，高集成度IC（双面）抛光片FZ单晶电力电子器件：SR、SCR、MCT、BCT、LTT;GTR、GTO、SITH、IGBT、PIN、PIC、SMART Power、太阳能切、磨片、抛光片薄层硅外延片双极IC，MOS、CMOS IC高集成度时用高阻厚层硅外延片VDMOS、IGBT、GTR、SIT、BS

18、IT新型电力电子器件用SOI片SOI - IC材料与器件正在高速发展单晶硅的制备工艺不同，所得到产品的纯度和性能差异很大，其下游应用领域也有所区别。单晶硅及其应用分类Copyright 17 单晶硅片产业链Copyright 多晶硅原料氩气等特气单晶硅晶棒单晶硅硅片太阳能单晶硅电池片功能性电子元器件机械器件等集成电路如晶体管、二/三极管、传感器、探测器、整流器等清洗、分选、监测等其他设备破方规设备：单晶硅拉晶炉方锭砂浆砂、SiC浆液PEG线锯设备：直拉炉；区熔炉光伏行业航天医疗汽车计算机其他光伏级半导体级18 半导体单晶硅全球市场分析全球半导体前段材料的市场容量约为240亿美元，其中占比最高的

19、晶圆硅片达80亿美元，有6成为12寸晶圆。2013 年晶圆在半导体晶圆材料中占比35%，其市场规模达79 亿美元。2013 年全球硅片材料市场消耗约100 亿平方英寸。其中12 寸硅片（300mm）占约70%,月消耗量516 万片。晶圆, 79.32光隐膜, 31.36光致抗蚀剂, 12.2光致抗蚀剂的辅助设备, 14.28湿电子化学品, 10.27Gases, 31.39溅射靶材, 6.08研磨液&抛光垫, 14.36其他/新材料, 26.542013年全球半导体晶圆材料市场规模(单位：亿美元)Source：Semi.东吴证券研究所Copyright 19 不同尺寸单晶硅片市场分析Copyr

20、ight 300mm的硅片是主流。国际市场70%以上是300mm 的大硅片，主要应用于65-45nm 极大规模集成电路上。提高多晶硅铸锭尺寸可以削减成本，节省成本是驱使半导体业转向更大直径 的主要原因。与200mm的硅片相比，可使每块硅片的成本降低30%。包括抛光片、EPI，不包括Reclaim、非抛光片和SOI总体年增长率：2012: 持平2013: 5-6%2014: 5-6%单位：百万平方英寸全球硅片以尺寸分类的市场发展趋势600050004000300020008242820002002200420

21、062008201020122014来源：semi.20 大尺寸硅片市场需求分析-300mm2013 年国内300mm 晶圆产能接近25 万片，需求量约为30万片。按照国务院印发的国家集成电路产业发展推进纲要规划，材料市场还将以年均20%的速度快速增长，预计到2017 年国内对300mm 硅片需求将突破60 万片，2020 年超过100 万片。目前国内大尺寸硅材料供应缺口较大，12 寸硅片目前全部采用进口。306000172020我国300nm硅片需求量预测（单位：万片）Source：同花顺Copyright 21Copyright 目前450mm最

22、大问题集中在研发成本及未来投资的回报率。450mm 的硅片约在2017 年才能小批量生产，且第一批客户可能只有美国Intel 一家。05920002000420052006200720082009200132014大尺寸硅片市场需求分析-450mmSource：semi.1999-2014年450mm硅片市场需求（单位：10亿）22 晶硅光伏电池市场分析全球晶硅光伏电站中单晶硅的使用量占比约30%。目前国内市场，多晶硅与单晶硅太阳能电池的比例约为4:1，国际上这一比例约为3:1；该比例差距在今后几年有望缩小。39%36%29%2

23、9%30%31%33%35%61%64%71%71%70%69%67%65%0%40%80%120%2000162017单晶硅片多晶硅片全球光伏级别单晶硅片产量份额及预测（单位：%）0%40%80%120%国内国际多晶硅片单晶硅片多晶硅与单晶硅太阳能电池对比分析（单位：%）来源：前瞻网来源：新材料在线Copyright 2013年，全球光伏产业单晶装机约8.5-9 GW，占全球光伏装机的22-23%，相比2012年占比基本维持平稳。其中，日本单晶装机2.48GW，同比增长130.43%；美国单晶装机4.75GW，同比增长41.02%。若不考虑中国市场

24、，全球单晶装机占比超过30%，相比2012年25%左右的水平明显提升。23 单晶光伏电池市场分析2003-2013年全球单晶硅太阳能电池产量（单位：MW）0500000002003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013来源：太阳能光伏网Copyright 24全球单晶硅制造商分析Copyright 全球最大的4家生产厂商依次为日本信越、SUMCO、美国MEMC和德国Siltronic ，共占有全球硅片市场的75%。其他厂商有日本Covalent Materials、韩国LG Siltron、芬兰Okmetic及

25、丹麦Topsil等。Shin-EtsuSUMCOMEMCLG-SiltronCovalentOtherSiltronic各主要硅材料厂商的全球市场份额Source：新材料在线 全球有近12家区熔单晶制造商，其中德国Siltronic 、日本Shin-Etsu、Handotai、小松公司Komatsu（已被Sumco 收购），丹麦TOPSIL、中环股份等五家公司垄断了全球产量的98%以上。其中中环股份约占市场份额15%，国内市场份额超过70%，产量和市场占有率已连续多年居国内同行业首位。25目前国内单晶硅片生产商主要有：隆基股份、中环股份、卡姆丹克、锦州阳光、晶龙集团等。 目前这5个公司的产能约

26、在5G到6G瓦，而国内整体的单晶硅片产能在6G7G瓦之间，5家大型企业占据了单晶硅片全国产量的90%。 国内单晶硅龙头企业的毛利率近两年维持在10%左右。注：左轴为销售收入，右轴为毛利率，中环股份为新能源业务。sources：Wind，中银国际研究部分单晶硅片龙头企业盈利对比国内单晶硅主要生产商及盈利分析Copyright 26 全球半导体抛光片主要供应商企业信越化学 三菱住友 SiltronicMEMCLGsiltronSAS总部日本日本德国美国韩国台湾是否进入PVNNNYYY尺寸（mm）100-300 100-300 125-300 100-300 125-300 75-300抛光片YYY

27、YYY退火硅片YYYYNN外延片YYYYYYSOIYYNYNNFZYNYNNY是否开展450YYNYYNSource：新材料在线Copyright 27 国内半导体抛光片主要供应商企业生产地点4-6寸抛光片8寸以上抛光片FZ产能及其他信息有研新材北京YYY46寸：270万片/年；8寸：24万片/年金瑞泓浙江宁波YY46寸：296万片/年；8寸：48万片/年合晶/晶盟上海Y上海工厂生产45寸抛光片280（万片/年），大尺寸生产在台湾申和热磁上海Y46寸：500万片/年昆山中辰江苏昆山YY为SAS子公司，46寸:360万片/年；8寸：40万片/年中环环欧天津YY46寸:240万片/年洛阳麦斯克河南

28、洛阳Y层位MEMC合资厂，46寸:320万片/年Source：新材料在线Copyright 28Copyright 单晶炉生产商北京京运通天龙光电上海汉虹精密机械北京京仪世纪河北晶龙阳光国内生产商国际主要供应商二、半导体产业链分析五、碳化硅市场研究报告三、单晶硅市场研究报告八、半导体产业现状及发展趋势一、半导体基础知识简介四、砷化镓市场研究报告六、氮化镓市场研究报告七、半导体企业分析Copyright GaAs的基本性质三代主要半导体材料物理性质的对比 属族化合物半导体 闪锌矿晶体结构，四面体配位材料SiGaAsGaN应用优势禁带宽度（eV）1.11.43.4禁带宽度直接影响器件的耐压性质和最

29、高工作温度，宽禁带材料拥有更高的耐压性质和更高的工作温度饱和速率（10-7cm/s)1.02.12.7饱和速率代表器件的工作频率，高饱和速率材料更适合在高频下工作热导（W/cK）1.30.62.0热导反应了物质的热传导能力，高热导材料适合在更高的温度下工作击穿电压（M/cm）0.350.45.0击穿电压代表了器件的极限电压，高击穿电压代表材料适合高压工作电子迁移率（cm2/V s）电子迁移率代表固定电压下电流的通过能力，高电子迁移率的材料可以拥有更大的电流化学稳定性好好好化学稳定性表示物质在化学因素下保持原有状态的能力，化学稳定性好的材料适合在各种酸、碱性条件下工作，使用

30、寿命更长抗辐射能力好好好器件的工作环境存在各种各样的电磁辐射，抗辐射能力好的材料工作状态更稳定，能够应用在各种复杂的电磁环境下29GaAs是重要的化合物半导体材料Copyright 三代半导体材料的性能及应用对比来源：广发证券，新材料在线GaAs半导体器件的应用范围来源：长江证券，新材料在线材料SiGaAsGaN光学应用无红外蓝光/紫外高频性能差好好高温性能差好好发展阶段成熟发展中初期制造成本低高极高应用领域超大规模集成电路与器件微薄集成电路与器件超大功率器件GaAs半导体材料应用范围广泛Copyright 30GaAs微波功率器件的应用领域来源：广发证券，互联网，新材料在线整理光通信中的Ga

31、As半导体应用激光驱动电路MUXDEMUX跨阻放大器限谱放大器。移动设备网络通信移动基站GSM/GPRS3G CDMA3G WCDMA4G LTE汽车雷达GPS光纤通信蓝牙/WLANMESFETPHMETGaAs半导体在电子器件中的应用Copyright 31汽车防撞雷达的工作原理（工业电子应用）来源：互联网军事电子中的GaAs半导体应用来源：互联网 工业电子中GaAs半导体最主要的应用是汽车电子 汽车防撞雷达系统的开发将有效的降低车祸的概率，其中GaAs材料制作的雷达具有极高的可靠性。 机载/舰载/固定GaAs-MMIC 相控阵雷达 电子战用GaAs 设备 导弹制导GaAs 引信GaAs半导

32、体在电子器件中的应用Copyright 32LED行业中的GaAs半导体应用来源：网络激光行业中的GaAs半导体应用来源：海通证券研究所，新材料在线整理GaAs能带 民用激光切割、激光打印机、大屏幕彩色显示系统等 军用激光制导、激光通信、激光雷达和激光武器等GaAs半导体在光电器件中的应用Copyright 33GaAs单晶生长工艺左LEC 右VGF来源：BINE完整的GaAs半导体工艺流程来源：新材料在线整理 目前比较成熟的工艺主要有LEC、HB、VGF/VB和VCZ。 汽车防撞雷达系统的开发将有效的降低车祸的概率，其中GaAs材料制作的雷达具有极高的可靠性。LECVGF制备晶体生长机械切割

33、最终产品产品交付封装认证清洗抛光研磨线锯切割边缘研磨刻蚀退火LEC/VGFGa/As高压制备GaAs半导体的制备工艺Copyright 34GaAs产业链来源：广发证券全球GaAs半导体产业链主要厂商来源：广发证券 砷化镓半导体的制造流程与硅相似，从上游材料、IC设计、晶圆代工到封装测试，完成砷化镓半导体制造的全部产业链。 砷化镓半导体产业参与者多为国外IDM厂商。2013年砷化镓市场，占比前5的厂商中除了稳懋外，均为集IC设计、晶圆代工、封装测试为一体的IDM厂商。GaAs产业链Copyright 352013年GaAs半导体制造商市场份额来源：strategy analytics，广发证券

34、2014年砷化镓半导体主要厂商毛利率来源：公司公告，广发证券 目前全球砷化镓半导体市场份额最大的Skyworks，占比24%。 砷化镓材料现在正处于发展阶段，目前全球砷化镓微波功率半导体领域参与者数量远远小于硅，市场分布较为均衡。IDM厂商毛利率达40%GaAs相关厂商情况Copyright 36GaAs半导体PA元件在全球的需求量预测来源：IDC，TrendForce，广发证券GaAs半导体PA元件在中国的需求量预测 以HBT设计的射频功率放大器（RF PA）和以pHEMT设计的射频开关器是无线射频模组中必备的两个GaAs半导体组件。 4G和5G技术的发展，智能手机需求更多的PA元件。目前我

35、国智能手机的PA芯片大量依赖进口，实现芯片的国产化很有必要。来源：IDC，TrendForce，广发证券不同细分领域中的市场Copyright 37全球光通信设备市场及元器件市场规模来源：SP consulting、长江证券全球主要市场汽车销量来源：盖世汽车网、长江证券 受益于光通信市场的持续增长，GaAs半导体元件市场也将增长。 目前汽车雷达生产成本还比较高，只能配备在高端车型上，但是随着GaAs 制造技术的进步，这项技术的应用范围将会更加广阔。不同细分领域中的市场Copyright 38全球GaAs基板的总产值来源：Strategy analytics、长江证券全球激光器销售收入来源：St

36、rategies Unlimited、长江证券 伴随LED 产业的逐渐整合完毕，LED 产业对GaAs 半导体产业发展的推动作用将会越来越强。 激光行业整体呈现上行趋势，是GaAs半导体产业发展的一大推动力。不同细分领域中的市场Copyright 39二、半导体产业链分析五、碳化硅市场研究报告三、单晶硅市场研究报告八、半导体产业现状及发展趋势一、半导体基础知识简介四、砷化镓市场研究报告六、氮化镓市场研究报告七、半导体企业分析Copyright 40SiC简介元素周期表IV族元素唯一的化合物每种原子被4个异种原子包围SP3键合，并有一定的极化具有很强的离子共价键，性能稳定具有同质多型特性，比较成

37、熟的有：3C-SiC、6H-SiC和4H-SiC图 SiC不同晶体结构的堆垛序列晶体结构特性及应用3C-SiC具有最高的电子迁移率，高温、大功率和高速器件的首选6H-SiC具有宽的带隙，在光电子学、高温电子学、抗辐射电子学和高频大功率器件领域具有应用价值4H-SiC带隙比6H-SiC 更宽，电子迁移率接近3C SiC。大功率器件方面最有前途的材料Source：Wu et al. / Progress in Materials Science 72 (2015) 160Source:碳化硅宽带隙半导体技术，新材料在线Copyright 41SiCSiC 具有很高的德拜温度，达到1200-1430

38、K。这就决定了该材料对于各种外界作用的稳定性，在物理、化学性质方面有着优越的技术特性。 力学性质：高硬度（克式硬度为3000kg/mm2），可以切割红宝石；高耐磨性，仅次于金刚石。 热学性质：热导率超过金属铜，是Si 的3 倍，是GaAs 的8-10 倍，散热性能好对于大功率器件十分重要。SiC 的热稳定性较高，在常压下不可能熔化SiC。 化学性质：耐腐蚀性非常强，室温下几乎可以抵抗任何已知的腐蚀剂。SiC 表面易氧化生成SiO2 层，能够防止其内部进一步被氧化.SiC能溶解于熔融的氧化剂物质。 电学性质：4H-SiC 和6H-SiC 的带隙约为Si 的三倍，是GaAs 的两倍，其击穿电场强度

39、高于Si 一个数量级，饱和电子漂移速度是Si 的2.5 倍。图 第三代半导体与Si的性能对比Source:YoleCopyright 42SiC单晶的制备工艺技术难点无法用熔体提拉法进行单晶材料的制备 在现有的实验条件所能达到的压力条件下，SiC 没有熔点，而只是在1800以上是直接升华，变为气态； 在现有的实验条件所能达到的温度条件下，C 在Si 熔体中的溶解度非常小。所以熔融生长法不能用于SiC 单晶的生长。电弧熔炼法 1885年，SiC 质量较差，达不到大规模生产SiC 器件所需的SiC 单晶的质量要求。Lely法 1955年，制备了杂质数量和种类可控的、具有足够尺寸的SiC 单晶如今的

40、制备方法改良Lely法HTCVDCF-PVTHCVD采用SiC 籽晶控制所生长晶体的构型，克服了Lely 法自发成核生长的缺点高温化学气相沉积法，反应气体在高温下分解生成SiC 并附着在衬底材料表面，并沿着材料表面不断生长。高纯硅和高纯碳直接注入生长区，避免了通常采用的SiC 粉末所造成的污染SiCl4 和C3H8 作为Si 源和C 源在2000发生反应。该方法生长速率高，获得的单晶电子陷阱少，电学性质好。Source:兴业证券，新材料在线Copyright 43SiC产业链上游中游下游单晶单晶衬底衬底、外延晶片外延晶片模模组生产组生产器件制备器件制备Copyright 44SiC的应用SiC

41、 特性应用器件宽带隙蓝光LED激光二极管抗辐射器件超低漏电流器件高击穿电场高压大功率开关二极管可控电力电子器件空间应用的大功率器件高热导率良好的散热大功率器件高密度器件集成电子迁移速率高（GaN）饱和电子漂移速率高高频IC 器件表 SiC特性及其对应的主要应用器件Source: 兴业证券，新材料在线目前95%以上的半导体器件和99%以上的集成电路都是由硅材料制作。发展至今，硅材料已经具有一定的局限性，尤其在极端条件下，第三代半导体的性能远远优于硅材料，这其中SiC技术被公认为最成熟的技术，有着广泛的应用：Copyright 45SiC的应用举例高温器件SiC 材料的宽禁带和高热导率使得其在高温

42、半导体器件方面有无可比拟的优势。采用SiC 材料已制成了多种器件，它们的工作温度可达650 以上。节能功率器件在电子设备运行过程中，75%以上的能量消耗需要半导体器件进行转化，先进的宽禁带半导体技术在有效降低器件自身功耗的同时，还可以直接或间接地提高系统其他部件的能效。丰田和电装联合开发的SiC半导体应用于功率控制单元（PCU）的功率半导体器件中，降低了10%的能量损耗。Source:互联网，新材料在线图 SiC器件的应用领域Copyright 46SiC的应用举例微波-高频器件SiC基微波器件是当今世界上最为理想的微波器件，其功率密度是现有微波器件的10倍，将成为下一代雷达技术的标准，军用市

43、场将在未来几年推动碳化硅基微波器件的快速发展。通信领域，手机基站中的放大器已经接近性能极限，现有放大器采用的是Si器件，其效率只有10%。使用宽禁带半导体器件，将有效提高基站放大器的效率，同时减小基站设备体积。光电器件目前用于LED 产业化的衬底主要有蓝宝石（Al2O3）、SiC 和Si。具有与GaN 晶格失配小、热导率高、器件尺寸小、抗静电能力强、可靠性高等优点，是GaN 系外延材料的理想衬底，效率高，能耗低。抗辐射器件SiC 电子器件不但可以在高温下工作，而且具有很强的抗辐射特性，所以SiC 电子器件在航天器上的使用能够减少引线和连接器的数量以及辐射防护罩的大小和质量。在航空航天产业中已经

44、占据了一定的地位Source:百度Copyright 市场情况47根据预测， 2015年以后SiC功率器件市场将会以较快的速度发展，以40%的年复合增长率增长，在2020年市场的总额将达到约8亿美元。随时间推移SiC 器件的应用领域中光伏和新能源车将占主导地位，进一步缩减系统体积与重量。Source:Yole，东方证券Source:Yole0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%201320182020研发等其他不间断电源电动机控制微型光伏逆变器光伏逆变器电网风电EV/HEV逆变器功率因素校正器交通轨道图 SiC器件市场随时间推移的占比情况图 SiC器件市场发展预测成

45、本分析48Source:Yole目前SiC 器件的成本较普通Si 基器件成本高：SiC 二极管的成本是硅基肖特基二极管的5-7 倍；SiC JFET 的成本是硅基MOSFET 的4-7 倍；SiC MOSFET 的成本是硅基MOSFET 的10-15 倍。据预测，到2020年附近成本将有望下降到50%附近。成本规模效应下游需求工艺突破诸多成本下降的因素中最大的限制在于SiC的制备工艺：SiC单晶制取的难度大，成本高，大尺寸晶圆制备技术有待突破。虽然晶体生长炉在技术上已经非常成熟，但是在晶体生长中温度和气体输送速率和输送角度等技巧则有相当大的难度。碳化硅从2英寸、4英寸到6英寸的发展过程中，扩晶

46、技术非常关键。技术壁垒图 SiC器件价格发展预测Copyright 国外厂商情况49Source:东方证券从SiC 器件的发展历史可以看出，其技术主要由海外公司垄断，尤其是美国的Cree。Cree 占SiC 晶圆制造市场90%以上，Cree 和英飞凌在SiC 功率器件市场合计占85%以上份额。由于行业发展潜力大，日本Rohm、美国ST 等也在积极进军SiC 领域。图 国外主导厂商产业链分布图Source:YoleCopyright 50中国厂商情况SiC产业链环节相关企业主要进展单晶天科合达2、3、4 英寸SiC 晶片年产7 万片；6 英寸近期研制成功山东天岳2、3 英寸和4 英寸SiC 晶片

47、，6 英寸预计15 年年底量产，计划到2015 年底产能35 万片碳化硅晶片，销售收入30 亿元，利润19 亿元。同光晶体2 英寸已量产，4 英寸SiC 晶片预计今年5 月前可量产；4英寸晶片年产能为5 万片，预计年销售约3 亿元，利润约1.5亿元。46 所2 英寸SiC 晶片神舟科技2-4 英寸碳化硅晶片、外延片中科院硅酸盐所2、3、4 英寸SiC 晶片。南车时代电气46 英寸SiC 芯片模块封装及功率器件重点实验室外延瀚天天成12 年3 月3、4 寸外延晶片达商业化；14 年4 月，6 寸外延晶片交付日本客户天域半导体科技年产2 万-3 万片碳化硅外延晶片的产能，产品目前销往日本等国外市场

48、中科院中科院半导体所、中科院物理所、天科合达联合研发；年产能2 万片4 英寸SiC 晶片，30 片4 英寸外延片，年产10 万只SiC 二极管及1 万只碳化硅模块的小批量生产能力西电、13 所、55所N/A器件泰克天润肖特基二极管6001700V 系列达到国际先进水平西电、13 所、55所碳化硅二极管和结型场效应功率管等研究成果，未量产南车时代电气SiC IGBT 研发中Source:东方证券Copyright 二、半导体产业链分析五、碳化硅市场研究报告三、单晶硅市场研究报告八、半导体产业现状及发展趋势一、半导体基础知识简介四、砷化镓市场研究报告六、氮化镓市场研究报告七、半导体企业分析Copy

49、right 51GaN简介宽的带隙强的原子键高热导率高熔点材料，约为1700六方纤锌矿结构化学稳定性好，耐腐蚀图 第三代半导体与Si的性能对比Source:Yole特点曾经的“中流砥柱”Si功率器件已日趋其发展的材料极限，难以满足当今社会发展对于高频、高温、高功率、高能效、耐恶劣环境以及轻便小型化的新需求。以SiC和GaN为代表的第三代半导体材料凭借其优异属性，将成为突破口，正在迅速崛起。优势Copyright 52III族氮化物材料体系全组分可调、全组分直接带隙、强极化、耐高温、抗辐照、可实现低维量子结构。Eg(GaxIn1-xN)=Eg(GaN)*x + Eg(InN)*(1-x) b*x

50、*(1-x)Eg(GaxAl1-xN)=Eg(GaN)*x + Eg(AlN)*(1-x) b*x*(1-x)禁带宽度的理论公式 III族氮化物材料体系带隙调制范围最宽 唯一覆盖红外到紫外波长的半导体体系Copyright 53GaN衬底的制备工艺GaN体单晶制备是一大难点GaN在高温下分解为Ga和N2，常压下无法融化，只有在2200以上，6GPa以上的氮气压力下才能使GaN融化。所以传统直拉法和布里奇曼法都不能用来生长GaN单晶。异质外延生长是目前主流的GaN衬底制备技术异质外延制备GaN衬底的主要方式是HVPECopyright 54GaN衬底的制备工艺用于氮化镓生长的衬底材料的性能优劣对