1、孙远峰孙远峰/ /郑敏宏郑敏宏/ /张大印张大印/ /王海维王海维/ /王臣复王臣复 SAC NO:S05SAC NO:S05 20192019年年3 3月月1212日日 请仔细请仔细阅读在本报告尾部的重要法律声明阅读在本报告尾部的重要法律声明 半导材料第一蓝海，硅片融合工艺创新半导材料第一蓝海，硅片融合工艺创新 大硅片深度报告大硅片深度报告 华西证券电子团队华西证券电子团队走进“芯”时代系列深度之二十二“大硅片”走进“芯”时代系列深度之二十二“大硅片” 1 仅供机构投资者使用仅供机构投资者使用 证券研究报告证券研究报告 2 引言：“大硅片”是半导体

2、国产化材料第一蓝海市场引言：“大硅片”是半导体国产化材料第一蓝海市场 1.1. 战略意义最大，全球供应集中战略意义最大，全球供应集中 本土12英寸制造逐步从投入期进入量产导入释放期，不同于其他材料大多数由综合化工厂提供，大硅片供应 集中度极高，主要由Shin-Etsu（日本）、SUMCO（日本）、环球晶圆（中国台湾）等供应，本土化推进意义重大 2.2. 成本占比最高，市场空间最大成本占比最高，市场空间最大 大硅片是制造材料中唯一成本占比最高（超过1/3）的核心材料，现阶段全球硅片市场规模约超120亿美元 3.3. 创新空间足够，同步工艺升级创新空间足够，同步工艺升级 从功率类、到逻辑、再到存储

3、；从130/90nm、到40/28nm、再到7/5nm，大硅片工艺和加工难度伴随产品和工 艺升级具很高同步升级效应，高阶产品可能高于初阶产品810倍价格，企业具较高产品创新和升级空间 核心受益：中环股份、硅产业、晶盛机电、北方华创、金瑞泓核心受益：中环股份、硅产业、晶盛机电、北方华创、金瑞泓 rQtMoOmQmRsMnPoPpQxOsR8OdN6MpNoOtRnNlOoOsRfQoPtQbRmMuMuOpMsNNZsRmQ 3 目录目录 硅片为制造半导体器件的关键材料硅片为制造半导体器件的关键材料 硅片为主流材料趋势不变，新一代化合物材料无法取代硅片为主流材料趋势不变，新一代化合物材料无法取代

4、 半导体技术工艺升级，半导体设备已先行半导体技术工艺升级，半导体设备已先行 硅片市场重拾增长，进口替代为当务之急硅片市场重拾增长，进口替代为当务之急 国内硅片制造及设备商：国产大硅片制造和设备龙头逐渐成型国内硅片制造及设备商：国产大硅片制造和设备龙头逐渐成型 借鉴国际硅片巨头成长路径，对标国产硅片发展机遇借鉴国际硅片巨头成长路径，对标国产硅片发展机遇 国产硅片机遇来临国产硅片机遇来临 ：技术验证达到标准，国内下游需求大幅增加：技术验证达到标准，国内下游需求大幅增加 核心受益标的：国内硅片相关企业核心受益标的：国内硅片相关企业 硅片：应用于半导体和光伏领域；半导体应用价值高硅片：应用于半导体和光

5、伏领域；半导体应用价值高 硅片主要用于半导体、光伏两大领域；其中，半导体硅片制造技术较难、下游应用广泛、市场价值较高；为硅片主要应用领域。硅片主要用于半导体、光伏两大领域；其中，半导体硅片制造技术较难、下游应用广泛、市场价值较高；为硅片主要应用领域。 半导体硅片纯度要求标准为半导体硅片纯度要求标准为1111个个9 9以上以上(99.999999999%)(99.999999999%)，光伏相对要求较低，纯度标准为，光伏相对要求较低，纯度标准为4 4至至6 6个个9(99.9999%)9(99.9999%)；半导体大硅片表；半导体大硅片表 面的平整度、光滑度以及洁净度要控制在面的平整度、光滑度以

6、及洁净度要控制在1nm1nm以内，因此需要通过研磨、倒角、抛光、清洗等精密且严谨的工艺才能制作完成。以内，因此需要通过研磨、倒角、抛光、清洗等精密且严谨的工艺才能制作完成。 4 半导体领域的细分市场（半导体领域的细分市场（20182018） 半导体级硅材料的应用领域为集成电路、 分立器件、传感器。光电子器件因为需要 更灵敏光电效应，主要采用化合物材料。 集成电路：集成电路：可细分为逻辑芯片、存储芯片 、微处理器、模拟芯片等应用领域。 分立器件：分立器件：可细分为二极管、三极管、晶 闸管、功率器件等应用领域。 2020年起，国内的集成电路、功率器件领 域在电子产品革新下进入扩产增长周期。 硅片材

7、料：分为半导体硅片材料：分为半导体( (电子级电子级) )和光伏（太阳能级）应用领域和光伏（太阳能级）应用领域 83.90% 5.10% 8.10% 2.90% 集成电路分立器件光电子器件传感器 资料来源： WSTS、华西证券研究所 半半 导导 体体 硅硅 片片 光光 伏伏 硅硅 片片 单晶硅棒单晶硅棒 多晶硅锭多晶硅锭 单晶硅片单晶硅片 多晶硅片多晶硅片 多晶硅材料多晶硅材料 单晶电池单晶电池 多晶电池多晶电池 晶硅组件晶硅组件 光伏光伏 发电系统发电系统 单晶硅棒单晶硅棒抛光硅片抛光硅片半导体器件半导体器件 集成电路集成电路 分立器件分立器件 逻辑芯片逻辑芯片 存储芯片存储芯片 模拟芯片模

8、拟芯片 微处理器微处理器 二二/ /三极管三极管 晶闸管晶闸管 功率器件功率器件传感器传感器 5 硅片：半导体产业链的关键基石硅片：半导体产业链的关键基石 石英砂石英砂 多晶硅多晶硅单晶硅棒单晶硅棒 硅片（晶圆）硅片（晶圆） 熔化提炼熔化提炼 拉单晶、抛光、量测等工艺拉单晶、抛光、量测等工艺 前道制造工艺前道制造工艺后道封测工艺后道封测工艺芯片芯片 硅片制造硅片制造芯片制造芯片制造 硅片制造设备硅片制造设备 立式炉立式炉CMPCMP抛光机抛光机量测设备量测设备 硅片产业链硅片产业链 资料来源： SUMCO、Wiki 、华西证券研究所 半导体产业链半导体产业链 ICIC制作制作ICIC封测封测

9、硅片的质量会直接影响制作完 成芯片的质量和良率。 为了保障芯片的质量，硅片厂 商需接受芯片制造商严格的质 量认证，一旦通过验证，一般 会形成长期稳定合作关系。 有鉴于全球硅片产能有限，硅 片厂商的议价能力较强。 硅片是半导体产业链的起点，是产业的最上游，贯通了整个芯片制造的前道和后道工艺，没有硅片半导体行业将如无源之水。硅片是半导体产业链的起点，是产业的最上游，贯通了整个芯片制造的前道和后道工艺，没有硅片半导体行业将如无源之水。 硅片的产量和质量直接制约整个半导体产业，及更下游的通信、汽车、计算机等众多行业的发展，是制造芯片的关键材料。硅片的产量和质量直接制约整个半导体产业，及更下游的通信、汽

10、车、计算机等众多行业的发展，是制造芯片的关键材料。 资料来源： SUMCO、Wiki 、华西证券研究所 制作完成的硅片会交货给芯片制作商， 通过前道制作工艺将硅片制成芯片，最 后再通过后道封装检测工艺完成芯片的 检测、封存和包装，最终成为用于电子 产品的芯片。 6 硅片：半导体产业链的关键基石硅片：半导体产业链的关键基石 拉单晶拉单晶磨外圆磨外圆切片切片倒角倒角双面研磨双面研磨CMPCMP抛光抛光 硅 片 制 造 硅 片 制 造 前 道 制 造 前 道 制 造 氧化退火氧化退火CVDCVD沉积沉积光刻曝光光刻曝光刻蚀刻蚀CMPCMP抛光抛光清洗清洗离子注入离子注入PVDPVD镀膜镀膜 后 道

11、封 测 后 道 封 测 前道工艺重复数十次：通过前道量测设备，反复控制工艺质量前道工艺重复数十次：通过前道量测设备，反复控制工艺质量 二氧化硅 晶圆切割晶圆切割引线键合引线键合晶圆检测晶圆检测背面减薄背面减薄模塑模塑封装成型封装成型装箱装箱 资料来源：SEMI、Google、华西证券研究所 硅片硅片 通过硅片量测设备，控制工艺质量通过硅片量测设备，控制工艺质量 7 硅片：硅片：贯穿芯片每道制程，成本贯穿芯片每道制程，成本占比最大的半导体材料占比最大的半导体材料 硅片是唯一贯穿每道制程的半导体材料硅片是唯一贯穿每道制程的半导体材料硅片在半导体材料中成本占比最大（硅片在半导体材料中成本占比最大（2

12、0182018） 资料来源： SEMI、华西证券研究所 资料来源： 电子产业信息网、华西证券研究所 硅片是半导体制程中最关键的基础核心材料，成本占比最高为硅片是半导体制程中最关键的基础核心材料，成本占比最高为37%37%；其中，；其中，1212英寸大硅片占比英寸大硅片占比64%64%。芯片制造即是通过在硅片芯片制造即是通过在硅片 上反复循环光刻、刻蚀、离子注入、薄膜沉积等前道工艺，改变硅的导电性和构建电晶体结构，最终形成半导体器件。上反复循环光刻、刻蚀、离子注入、薄膜沉积等前道工艺，改变硅的导电性和构建电晶体结构，最终形成半导体器件。 衬底 准备 清洗液反应气 氧化 增层 光刻胶 涂层 光刻胶

13、及 精助试剂 前烘 光刻 曝光 掩模版显影液 显影后烘坚膜刻蚀 刻蚀气刻 蚀液体 利用掩模版 重复若干次 芯片 成品 封装测试 背面金 属化 背面研 磨减薄 PVD 溅射 CMP 抛光 CVD 沉积 化学气相 沉积气体 离子 参杂 去胶 封装 材料 抛光液 抛光垫 清洗液 靶材 抛光液 抛光垫 清洗液 化学相 沉积气 体 参 杂 气 去 胶 剂 硅片硅片 半导体材料半导体材料 ICIC制作工艺制作工艺 硅片 37% 电子气体 13% 光掩膜 12% 光刻胶配套 化学品 7% 抛光材料 7% 光刻胶 5% 湿法化学品 6% 溅镀靶材 2% 其他 11% 1212英寸在硅片中的市场占比最大（英寸在

14、硅片中的市场占比最大（20182018） 12英寸, 63.83% 8英寸, 26.14% 6英寸以下, 10.03% 8 硅片：硅片：95%95%半导体器件采用硅衬底半导体器件采用硅衬底, ,全球市场规模约全球市场规模约750750亿元亿元 资料来源： Siltronic、华西证券研究所 硅片支撑整个半导体产业和电子产品革新（硅片支撑整个半导体产业和电子产品革新（20182018） 硅在半导体器件的衬底材料占比硅在半导体器件的衬底材料占比95%95% （20182018） 电子产品电子产品 16,22016,220亿美元亿美元 半导体制造半导体制造 4,5604,560亿美元亿美元 半导体硅

15、片半导体硅片 114114亿美元亿美元 电子用硅原料电子用硅原料 1212亿美元亿美元 95% 5% 硅半导体化合物半导体 资料来源： SIA、Yole、华西证券研究所 硅片是半导体产业核心支撑：根据硅片是半导体产业核心支撑：根据SiltronicSiltronic数据，数据，20182018年全球硅片市场规模年全球硅片市场规模114114亿美元（约亿美元（约750750亿元人民币）；硅片广泛用于亿元人民币）；硅片广泛用于 制成半导体和各类电子产品。硅是目前半导体器件的主要衬底材料，在半导体材料的市场份额占比制成半导体和各类电子产品。硅是目前半导体器件的主要衬底材料，在半导体材料的市场份额占比

16、95%95%。 硅材料在自然界中的储量丰富，且提炼的 工艺技术已经相当成熟，加上易于氧化形 成二氧化硅，二氧化硅的薄膜绝缘性好， 有利于提升半导体器件的稳定性。 根据SIA数据，至2018年，半导体器件95% 以上皆采用硅作为衬底材料。 9 硅片需求量同步增长：半导体器件和终端应用增加硅片需求量同步增长：半导体器件和终端应用增加 硅片需求量和半导体行业同步增长（硅片需求量和半导体行业同步增长（19801980- - 20222022） 半导体器件和终端应用增加半导体器件和终端应用增加 硅片的需求量受益于半导体产品的技术革新和终端电子消费品类增加；硅片的需求量受益于半导体产品的技术革新和终端电子

17、消费品类增加；20122012- -20182018年全球半导体行业的市场规模的年复合增长年全球半导体行业的市场规模的年复合增长 率为率为8.0%8.0%，全球硅片出货面积的年复合增长率为，全球硅片出货面积的年复合增长率为5.9%5.9%。 至至20202020年起，大数据年起，大数据/ /新能源新能源/ /自动化趋势开启了新一代电子产品革新，支撑硅片的需求持续增长。自动化趋势开启了新一代电子产品革新，支撑硅片的需求持续增长。 资料来源： Siltronic、华西证券研究所资料来源： SEMI、Gartner、华西证券研究所 电子产品驱动因素电子产品驱动因素 大数据爆发：物联网设备、数据中心、

18、人工智能大数据爆发：物联网设备、数据中心、人工智能 新能源：新能源汽车、智慧电网新能源：新能源汽车、智慧电网 自动化：自动驾驶、机器人自动化：自动驾驶、机器人 600 480 360 240 120 0 200000 16000 12000 8000 4000 0 十亿美元百万英寸/年 半导体市场规模半导体市场规模 硅片出货面积硅片出货面积 19801985 02005 2010 2015 201 8 2020E2022E 10 资料来源：前瞻产业研究院、华西证券研究所 硅片工艺同步升级：半导体材料硅片工艺同步升级：半导体材料/ /结构结构/ /工艺趋向复杂工艺趋向复杂

19、硅片尺寸变大（硅片尺寸变大（1212英寸持续为主流）英寸持续为主流） 硅片尺寸随技术节点推进变大，硅片尺寸随技术节点推进变大，1212英寸成为主流。英寸成为主流。硅片尺寸规格约每十年增长一次，目前虽然已经做出18英寸硅片，但由于成本 较高，尚不具备经济价值，因此未来几年的先进制程芯片，还将持续以12英寸作为主流尺寸。 硅片工艺同步芯片技术进步，价值量将向上迭代硅片工艺同步芯片技术进步，价值量将向上迭代。虽然硅片尺寸将维持12英寸，但随着半导体技术进步，芯片在材料/结构/工艺 上皆有升级；半导体遵循一代芯片、一代硅片原则，硅片工艺必须同步芯片技术节点向前推进；因此，硅片价值量将向上迭代。 硅片工

20、艺升级（同步半导体工艺硅片工艺升级（同步半导体工艺/ /结构结构/ /材料技术进材料技术进 步）步） 资料来源：LAM、华西证券研究所 11 资料来源：ASML、华西证券研究所资料来源：TSMC、IC Knowledge、华西证券研究所 大 硅 片 价 格 指 数 大 硅 片 价 格 指 数 技术节点技术节点 半导体技术升级：芯片种类变多、技术节点革新半导体技术升级：芯片种类变多、技术节点革新硅片价格指数随技术升级倍数增长硅片价格指数随技术升级倍数增长 130nm130nm至至5nm5nm 大硅片成本大硅片成本 提升近提升近7 7倍倍 TSMC台积电为例： 硅片价格同步倍增：半导体技术节点迭代

21、升级硅片价格同步倍增：半导体技术节点迭代升级 硅片价值量向上迭代，从功率类、到逻辑、再到存储；从硅片价值量向上迭代，从功率类、到逻辑、再到存储；从130/90nm130/90nm、到、到40/28nm40/28nm、再到、再到7/5nm7/5nm，大硅片工艺和加工难度伴随产品，大硅片工艺和加工难度伴随产品 和工艺升级具很高同步升级效应，企业具较高产品创新和升级空间。和工艺升级具很高同步升级效应，企业具较高产品创新和升级空间。 未来五年技术节点持续革新未来五年技术节点持续革新 12 半导体技术持续创新：未来十年摩尔定律将延续半导体技术持续创新：未来十年摩尔定律将延续 More than Moor

22、eMore than Moore：功能多样化：功能多样化 More MooreMore Moore：制程线宽缩小：制程线宽缩小 基础基础CMOSCMOS器件：器件：CPUCPU、逻辑芯片、存储芯片、逻辑芯片、存储芯片 130nm130nm 90nm90nm 65nm65nm 45nm45nm 28nm28nm 16nm16nm 14nm14nm 10nm10nm 7nm7nm 5nm5nm 3nm3nm 模拟模拟/RF/RF高压功率高压功率服务器服务器MEMSMEMSRFID/NFCRFID/NFC 电路设计以及系统算法优化电路设计以及系统算法优化 2.5D/3D2.5D/3D维结构封装维结构

23、封装 系统级封装系统级封装(SiP)(SiP) 数位信息数位信息 高度集成芯片高度集成芯片 系统级芯片系统级芯片(SoC)(SoC) 资料来源：CETC、华西证券研究所 依照摩尔定律发展：半导体技术将朝向依照摩尔定律发展：半导体技术将朝向SiPSiP和和SoCSoC方向持续创新方向持续创新 未来十年内，半导体技术将延续摩尔定律未来十年内，半导体技术将延续摩尔定律 持续创新，主要采结合持续创新，主要采结合SoCSoC和和SiPSiP两条路径两条路径 的方式，可望带动大硅片工艺同步升级：的方式，可望带动大硅片工艺同步升级： SoCSoC系统级芯片系统级芯片 (More Moore) (More M

24、oore) SoCSoC是从设计角度出发，通过电路设计是从设计角度出发，通过电路设计 将系统所需的组件高度集成到一块芯将系统所需的组件高度集成到一块芯 片上，在一个芯片上集结了各种功能片上，在一个芯片上集结了各种功能 模块，拥有更高的芯片密度和运算能模块，拥有更高的芯片密度和运算能 力。力。但是，近年来SoC芯片的生产成本 越来越高，技术难度和障碍升高，逐 渐出现技术瓶颈，因此行业开始同步 发展SiP系统及封装技术，将SoC芯片 和存储芯片或其他功能芯片封装集成 为一颗新的芯片，提高芯片的性能和 缩小尺寸。 SiPSiP系统级封装（系统级封装（More than MooreMore than

25、Moore） SiPSiP是从封装的角度出发，把多个半导是从封装的角度出发，把多个半导 体芯片和元器件封装在同一个芯片内体芯片和元器件封装在同一个芯片内 ，组成一个系统级的芯片。，组成一个系统级的芯片。例如将存 储芯片和系统级芯片SoC通过穿孔的方 式连接在一起，使得每单位集成更多 电晶体，大幅提高芯片性能，缩小芯 片尺寸。突破了传统封装或是PCB线宽 尺寸较大的瓶颈。 13 目录目录 硅片为制造半导体器件的关键材料硅片为制造半导体器件的关键材料 硅片为主流材料趋势不变，新一代化合物材料无法取代硅片为主流材料趋势不变，新一代化合物材料无法取代 半导体技术工艺升级，半导体设备已先行半导体技术工艺

26、升级，半导体设备已先行 硅片市场重拾增长，进口替代为当务之急硅片市场重拾增长，进口替代为当务之急 国内硅片制造及设备商：国产大硅片制造和设备龙头逐渐成型国内硅片制造及设备商：国产大硅片制造和设备龙头逐渐成型 借鉴国际硅片巨头成长路径，对标国产硅片发展机遇借鉴国际硅片巨头成长路径，对标国产硅片发展机遇 国产硅片机遇来临国产硅片机遇来临 ：技术验证达到标准，国内下游需求大幅增加：技术验证达到标准，国内下游需求大幅增加 核心受益标的：国内硅片相关企业核心受益标的：国内硅片相关企业 14 半导体技术升级：新一代化合物材料和硅基共存共生半导体技术升级：新一代化合物材料和硅基共存共生 半导体材料发展趋势半

27、导体材料发展趋势 化合物材料随着电子产品技术革新而导入化合物材料随着电子产品技术革新而导入 资料来源：半导体材料的发展现状及趋势、华西证券研究所 资料来源： 新材料、华西证券研究所 年代年代 性 能 性 能 SiSi GaAsGaAs GaNGaN、SiCSiC 第三代 第二代 第一代 自然界存 储量丰富 性能接近 物理极限 宽禁带、高临 界击穿电场强 度，高饱和漂 移速率、高热 导率。 应用于高压、 高频、大功率 领域。 高电子迁移 率，高光电 转换效率。 应用于高速 高频和光电 转换领域。 材料材料主要应用领域主要应用领域制作元件制作元件使用场景使用场景 SiSi 集成电路集成电路 分立器

28、件分立器件 逻辑芯片计算机、手机等电子产品运算功能 存储芯片计算机、手机等电子产品存储功能 二极管、晶体管 实现对交流电整流、对调制信号检 波、限幅和钳位以及对电源电压的 稳压等多种功能 晶闸管高频、低压、直流输配电、整流 功率器件 消费电子产品领域逆变、变频等电 能转换 GaAsGaAs GaNGaN、SiCSiC 光电子元件光电子元件 射频器件射频器件 功率器件功率器件 LED 电视、光通信、传感器等显示设备 光源 激光二级管 激光器、打印机、汽车招面、光通 信等仪器光源 射频芯片、功率 放大器 高频、远距离智能手机；基站通信 设备、微波中继器、卫星通信 功率器件 新能源交通、轨道交通、发

29、电与配 电的高压、高频、大电流等高规格 功率器件应用 随着科技发展，硅材料遇到物理极限，无法满足现代 高规格电子产品对高温、高功率、高压、高频率以及 抗辐射等恶劣条件的新要求，因此，具备对应优势的 化合物材料开始导入半导体应用。 硅半导体用于逻辑器件硅半导体用于逻辑器件、存储器存储器、分立器件等领域；化合物半导体则在射频器件分立器件等领域；化合物半导体则在射频器件、光电器件光电器件、功率器件有很大发展潜力；功率器件有很大发展潜力； 新一代化合物材料一般采用硅作衬底新一代化合物材料一般采用硅作衬底（碳化硅除外碳化硅除外，碳化硅一般也用作衬底材料碳化硅一般也用作衬底材料）；硅和化合物材料属于共存共

30、生；硅和化合物材料属于共存共生，将硅基衬将硅基衬 底生长的化合物外延片底生长的化合物外延片，应用于光电子应用于光电子、射频射频、功率等具备高频功率等具备高频、高压高压、高功率特性器件高功率特性器件。 5G/AI/IoT5G/AI/IoT 15 新一代半导体材料发展趋势：结合硅衬底为主要路线新一代半导体材料发展趋势：结合硅衬底为主要路线 硅基氮化镓为主流趋势（硅衬底）硅基氮化镓为主流趋势（硅衬底） 氮化镓（氮化镓（GaNGaN）单晶价格高昂，）单晶价格高昂，2 2英寸英寸GaNGaN单晶售价高达单晶售价高达2 2万多元，是同面积硅材料的数十倍；因此，万多元，是同面积硅材料的数十倍；因此，在商业方

31、案中，通常采用在商业方案中，通常采用 硅基氮化镓外延片（在硅衬底上外延生长氮化镓）硅基氮化镓外延片（在硅衬底上外延生长氮化镓），可以大幅降低，可以大幅降低GaNGaN的采用成本，满足主流市场的应用需求。的采用成本，满足主流市场的应用需求。 氮化镓异质外延片（在其他材料上生长氮化镓异质外延片（在其他材料上生长GaNGaN） 资料来源：电子设计技术、华西证券研究所 资料来源：Yole、华西证券研究所 GaN单晶衬底上生长氮化镓称为同质外延片，GaN在其 他材料衬底上生长氮化镓称为异质外延片；其中，蓝 宝石氮化镓用来做LED；硅基氮化镓可以做功率器件 和小功率的射频；碳化硅氮化镓可以制造大功率LED

32、 、大功率器件和大功率射频芯片。 至2020年，小米已推出基于硅基氮化镓的行动快充，小米已推出基于硅基氮化镓的行动快充， 体积比传统快充更小，功率密度还更大，充电速度更体积比传统快充更小，功率密度还更大，充电速度更 快，硅基氮化镓正在驱动消费端功率器件的升级。快，硅基氮化镓正在驱动消费端功率器件的升级。 衬底外延芯片应用领域 蓝宝石 硅 碳化硅 氮化镓 氮化镓 外延 LED芯片 功率器件 射频芯片 激光器件 红光-蓝光的LED芯片； 发光器件；显示屏等； 新能源汽车；功率转换 器；电机控制器等 射频传感器；通讯基站 ；雷达；5G芯片等 蓝光、绿光、紫光、紫 外激光器等 成本导向成本导向 表现导

33、向表现导向 资料来源： CNKI、华西证券研究所 5G5G和大功率的技术革新驱动化合物材料发展和大功率的技术革新驱动化合物材料发展 新一代化合物材料特性：用于光电新一代化合物材料特性：用于光电/ /通信通信/ /功率器件的升级功率器件的升级 16 半导体材料的特性对比半导体材料的特性对比 资料来源： 半导体行业观察、华西证券研究所 1.1 1.49 1 0.3 1.4 0.54 1 0.7 3.4 1.3 2.7 3.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 能带宽度热导率饱和电子漂移速度击穿电场 SiGaAsGaN 材料特性材料特性硅硅( (Si)Si)砷化镓砷化镓( (GaA

34、s)GaAs) 氮化镓氮化镓( (GaNGaN) )化合物材料优势化合物材料优势 能带类型间接直接直接 化合物材料具备高 功率密度、高热导 率、快速开关、尺 寸较小、适用高频 率等特性。化合物 材料可以满足光电 元件、射频元件、 功率器件的技术革 新对高压、高频、 大功率的需求。 能带宽度（eV）1.11.43.4 电子迁移率0 饱和电子漂移速度 10.82.5 热导率（W/cm.k）1.490.541.3 临界贯穿电场 0.30.73.5 最高工作温度175350800 RF Power Frequency 1 GHz10 GHz100 GHz 10W 100W 高频、

35、高功率高频、高功率 半导体材料不同特性适用于不同领域半导体材料不同特性适用于不同领域 SiSi：化合物衬底化合物衬底，集成电路集成电路、性能要求低功率性能要求低功率、射频器件射频器件。 GaAsGaAs：光电子器件光电子器件、传输距离远频率较高的射频器件传输距离远频率较高的射频器件。 GaNGaN：光电子器件光电子器件、毫米波通信器件毫米波通信器件、600600V V以下功率器件以下功率器件。 SiCSiC：化合物衬底化合物衬底，600600V V以上大功率器件以上大功率器件。 硅晶圆在各个尺寸的制作技术已相当成熟硅晶圆在各个尺寸的制作技术已相当成熟 17 硅材料：技术成熟且具经济规模，为主要

36、半导体器件材料硅材料：技术成熟且具经济规模，为主要半导体器件材料 硅材料具备难以替代的综合优势硅材料具备难以替代的综合优势 资料来源：地球地壳中的化学元素丰度、华西证券研究所 资料来源： 半导体行业观察、华西证券研究所 硅在硅在2121世纪取代了锗成为主流的半导体材料世纪取代了锗成为主流的半导体材料,直至今日， 其地位依然稳固，硅的主要优势有： 硅的储量丰富、成本低、具经济规模：硅的储量丰富、成本低、具经济规模：硅是地壳中含量 最丰富的元素之一，占地壳元素含量的27.7%，占地球 全部元素含量的15.1%；获取材料容易。 提炼单晶硅技术成熟：提炼单晶硅技术成熟：硅片的制作技术从1970年的2英

37、 寸晶圆进步至2000年的12英寸晶圆，2010年行业甚至做 出18英寸的硅片，但是因不具经济效益而未大规模采用 ，却也显示硅片的制作技术相当成熟。 二氧化硅薄膜生成容易、提高元件可靠性：二氧化硅薄膜生成容易、提高元件可靠性：硅材料可以 通过加热的方式生成二氧化硅层，可以有效保护硅的表 面并作为绝缘体防止半导体的漏电现象，提高半导体元 件的稳定性和可靠性。 资料来源： Wiki、华西证券研究所 多晶硅多晶硅石英石英单晶硅单晶硅 硅在地壳中的元素储量丰富硅在地壳中的元素储量丰富 氧, 46.70% 硅, 27.70% 铝, 8.07% 铁, 5.05% 钙, 3.65% 钠, 2.75% 钾,

38、2.58% 镁, 2.08%其他, 1.42% 晶圆尺寸晶圆尺寸SiSi抛光片抛光片GaAsGaAs衬底衬底GaNGaNSiCSiC衬底衬底 2 2英寸英寸主流尺寸主流尺寸 主流尺寸主流尺寸 3 3英寸英寸 4 4英寸（英寸（100100mmmm）主流尺寸主流尺寸 5 5英寸（英寸（125125mmmm） 6 6英寸（英寸（150150mmmm） 8 8英寸（英寸（200200mmmm）主流尺寸主流尺寸研发中研发中研发中研发中 1212英寸英寸* *（300300mmmm） 主流尺寸主流尺寸 1818英寸（英寸（450450mmmm）非主流尺寸非主流尺寸 18 第二代半导体材料：砷化镓（第二代

39、半导体材料：砷化镓（GaAsGaAs）、磷化铟（）、磷化铟（InPInP） GaAsGaAs主要用于通信、射频领域主要用于通信、射频领域 砷化镓砷化镓 第二代半导体材料第二代半导体材料 资料来源： 砷化镓制作技术、华西证券研究所 砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）为最具代表性的 第二代半导体材料；GaAs技术发展最成熟；GaAs因 其宽禁带、直接带隙和高电子迁移率的特点，适用 于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件，和 通信器件器件等。GaAsGaAs的主要应用领域为通信，在的主要应用领域为通信，在 光纤通讯、卫星通讯、微波通讯等领域都有较多应光纤通讯、卫星通讯、微波通讯等领域都有较多应

40、用。用。 GaAs、InP等化合材料的原料稀缺，需通过合成形化合材料的原料稀缺，需通过合成形 成，价格相对较高，成，价格相对较高，并且对环境危害性较大，使得 其难以被更广泛应用，局限性较大，逐渐被第三代 半导体材料取代。 资料来源：MoneyDJ、华西证券研究所 氧气 砷（99%） 高纯砷 化合物 氢气高纯镓 高纯砷 （99.99999%） 砷 化 镓 多 晶 砷 化 镓 单 晶 砷 化 镓 单 晶 片 转化、蒸馏还原、升华 化合物材料需通过合成制备（化合物材料需通过合成制备（GaAsGaAs） 单晶生长 切割、研磨、清洗等 资料来源：Yole、华西证券研究所 19 第三代半导体材料：氮化镓（

41、第三代半导体材料：氮化镓（GaNGaN）、碳化硅（）、碳化硅（SiCSiC） GaNGaN、SiCSiC适用于高功率和高频率的应用场景适用于高功率和高频率的应用场景 第三代半导体材料第三代半导体材料 资料来源： MoneyDJ、华西证券研究所 氮化镓氮化镓 氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）为最成熟的第三代半导体 材料又称宽禁带半导体材料（禁带宽度大于2.2ev），其 余包括氧化锌、金刚石、氮化铝的研究还处于起步阶段。 GaN、SiC能过够大幅提升电子器件的高压、高频、高功率 的工作特性，在军事、新能源、电动汽车等领域具有非常 大的应用前景。 GaNGaN：目前主要用于功率器件领域，未来在高频

42、通信领域目前主要用于功率器件领域，未来在高频通信领域 也将有极大应用潜力。也将有极大应用潜力。未来当未来当5G5G标准频率超过标准频率超过40GHz40GHz，砷，砷 化镓将无法负荷，必须采用氮化镓化镓将无法负荷，必须采用氮化镓。 SiCSiC：目前主要用于高温、高频、高效能的大功率元件目前主要用于高温、高频、高效能的大功率元件， 具备耐高温、耐腐蚀、热稳定性好等优势。 资料来源：电子设计技术、华西证券研究所 高功率高功率 高频率高频率 0% 20% 40% 60% 80% 100% 2001820192020E 2021E 2022E 2023E 2024E 2025E

43、 GaNGaAsLDMOS 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 200020E2021E2022E2023E2024E GaN-on-SiGaN-on-SiCGaN-on-GaN 半导体材料发展趋势：硅依然为主流半导体材料半导体材料发展趋势：硅依然为主流半导体材料 Si Si 硅硅 硅衬底硅衬底 化合物化合物 1960S 1970S 1980S 1990S 2000S 2010S 2020E 2030E 市市 场场 规规 模模 未来趋势： 硅和硅衬底化合物 为主流材料 硅材料依然为主流半导体材料硅材料依然为主流半导体材料 GaNG

44、aN- -onon- -SiSi硅基氮化镓为主要硅基氮化镓为主要GaNGaN应用方式应用方式 GaNGaN在射频芯片的应用占比上升在射频芯片的应用占比上升 资料来源：Yole、华西证券研究所 资料来源：LuxResearch、华西证券研究所 资料来源：Yole、华西证券研究所 即使在即使在5G/IoT/AI5G/IoT/AI等技术导入下，硅衬底的化合物等技术导入下，硅衬底的化合物 材料也能满足射频芯片、功率器件对高频、高压、材料也能满足射频芯片、功率器件对高频、高压、 高功率的的需求，而且更具有经济效益；高功率的的需求，而且更具有经济效益； 在目前的电子产品应用中，在目前的电子产品应用中，仅有

45、军工、安防、航天 等少部分需要超高规格的应用领域，才需采用化合 物单晶材料。 硅材料在未来十年的技术革新下，将维持主流半导体材料的地位，朝向硅自主材料和硅衬底化合物两条路经发展。硅材料在未来十年的技术革新下，将维持主流半导体材料的地位，朝向硅自主材料和硅衬底化合物两条路经发展。 LDMOS GaAs GaN GaN-on-Si 单位：十亿美元 20 21 目录目录 硅片为制造半导体器件的关键材料硅片为制造半导体器件的关键材料 硅片为主流材料趋势不变，新一代化合物材料无法取代硅片为主流材料趋势不变，新一代化合物材料无法取代 半导体技术工艺升级，半导体设备已先行半导体技术工艺升级，半导体设备已先行

46、 硅片市场重拾增长，进口替代为当务之急硅片市场重拾增长，进口替代为当务之急 国内硅片制造及设备商：国产大硅片制造和设备龙头逐渐成型国内硅片制造及设备商：国产大硅片制造和设备龙头逐渐成型 借鉴国际硅片巨头成长路径，对标国产硅片发展机遇借鉴国际硅片巨头成长路径，对标国产硅片发展机遇 国产硅片机遇来临国产硅片机遇来临 ：技术验证达到标准，国内下游需求大幅增加：技术验证达到标准，国内下游需求大幅增加 核心受益标的：国内硅片相关企业核心受益标的：国内硅片相关企业 22 5G/IoT/AI5G/IoT/AI等新技术驱动半导体行业发展，根据等新技术驱动半导体行业发展，根据SEMISEMI数据，数据，2020

47、2020- -20212021年全球半导体设备将进入新一轮增长周期。年全球半导体设备将进入新一轮增长周期。 半导体设备在新技术驱动下同步增长：新技术导入半导体设备在新技术驱动下同步增长：新技术导入 新一代半导体工艺新一代半导体工艺 新一代半导体设备需求新一代半导体设备需求。 至至20202020年，全球半导体设备销售额预计将达年，全球半导体设备销售额预计将达600600亿美元，约亿美元，约40004000亿元人民币。亿元人民币。根据SEMI研究数据，我们认为，半导体设备市场 增长主要受益于三点：（1）新一代芯片制程工艺提升半导体设备的价格和数量。（2） 5G/IoT/AI等新应用带来芯片制造商

48、扩 产需求。（3）中国半导体芯片自主可控趋势下，中国半导体Fab大规模扩产时对半导体设备的增量需求。 55 90 99 90 95 90 100 150 260 270 280 218 253 477 280 197 222 375 329 405 428 295 159 399 435 369 318 375 365 412 566 644 576 608 668 -80% -50% -20% 10% 40% 70% 100% 130% 160% -50 50 150 250 350 450 550 650 750 全球半导体设备市场规模同比增长率 资料来源：SEMI、华西证券研究所 家电

49、个人电脑 笔记本电脑 智能手机、平板 5G/AI/IoT 5G/IoT/AI5G/IoT/AI技术升级：技术升级：20202020年全球半导体设备市场年全球半导体设备市场600600亿美元亿美元 全球半导体设备销售额（全球半导体设备销售额（19871987- -20212021） 单位：亿美元 23 中国大陆推动产业链自主可控，半导体设备、材料迎来机遇中国大陆推动产业链自主可控，半导体设备、材料迎来机遇 资料来源：前瞻产业研究院、华西证券研究所资料来源：SEMI、华西证券研究所 中国大陆作为全球半导体制造中心将持续至少中国大陆作为全球半导体制造中心将持续至少1010年，中国芯片制造需求叠加产业链自主可控，为材料设备提供发展机会。年，中国芯片制造需求叠加产业链自主可控，为材料设备提供发展机会。 半导体产业转移，推动国内半导体产业发展半导体产业转移，推动国内半导体产业发展。全球半导体三次转移过程如下:(1)美国转至日本：在日本成就了世界级半导体 材料企业，直至今日垄断全球半导体材料供应；(2