半導(dǎo)體晶圓材料的全面解析

晶圓（wafer） 是制造半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)性原材料。 極高純度的半導(dǎo)體經(jīng)過(guò)拉晶、切片等工序制備成為晶圓，晶圓經(jīng)過(guò)一系列半導(dǎo)體制造工藝形成極微小的電路結(jié)構(gòu)，再經(jīng)切割、封裝、測(cè)試成為芯片，廣泛應(yīng)用到各類電子設(shè)備當(dāng)中。 晶圓材料經(jīng)歷了 60 余年的技術(shù)演進(jìn)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，形成了當(dāng)今以硅為主、新型半導(dǎo)體材料為補(bǔ)充的產(chǎn)業(yè)局面。

半導(dǎo)體晶圓材料的基本框架

20 世紀(jì) 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(jìn)的重要一步， 1958 年 7 月，在德克薩斯州達(dá)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。

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈流程

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(chǔ)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(lái)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(chǎng)規(guī)模約 4122 億美元，而化合物半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模約 200億美元，占比 5%以內(nèi)。 從晶圓襯底市場(chǎng)規(guī)模看， 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(dá) 85%+。 在 21 世紀(jì)，它的主導(dǎo)和核心地位仍不會(huì)動(dòng)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(chǎng)份額（按材料）

20 世紀(jì) 90 年代以來(lái)，以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）為代表的第二代半導(dǎo)體材料開(kāi)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(dòng)通訊、光通信、 GPS 導(dǎo)航等領(lǐng)域。但是 GaAs、InP 材料資源稀缺，價(jià)格昂貴，并且還有毒性，能污染環(huán)境， InP 甚至被認(rèn)為是可疑致癌物質(zhì)，這些缺點(diǎn)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(chǎng)強(qiáng)、高飽和電子漂移速率和高鍵合能等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足現(xiàn)代電子技術(shù)對(duì)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(guó)防、航空、航天、石油勘探、光存儲(chǔ)等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用前景，在寬帶通訊、太陽(yáng)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(duì)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?cái)?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(chǔ)器等，相互之間具有不可替代性。

化合物半導(dǎo)體材料

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(jìn)入晶圓制造環(huán)節(jié)生產(chǎn)半導(dǎo)體器件，也可以進(jìn)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(zhǎng)一層新單晶的過(guò)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(jì)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(guò)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(jí)粗硅，再經(jīng)多次提純，得到電子級(jí)高純度多晶硅（純度達(dá) 99.9999999%以上， 9~11 個(gè) 9），經(jīng)過(guò)熔爐拉制得到單晶硅棒。單晶材料經(jīng)過(guò)機(jī)械加工、化學(xué)處理、 表面拋光和質(zhì)量檢測(cè)，獲得符合一定標(biāo)準(zhǔn)（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(jìn)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

外延生長(zhǎng)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)。

外延晶圓片結(jié)構(gòu)示意圖

相比之下， MOCVD技術(shù)生長(zhǎng)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。

MBE 與 MOCVD 技術(shù)對(duì)比

晶圓尺寸： 技術(shù)發(fā)展進(jìn)程不一

硅晶圓尺寸最大達(dá) 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。

襯底晶圓材料對(duì)應(yīng)尺寸

SiC 襯底目前尺寸已達(dá) 6 英寸， 8 英寸正在研發(fā)（II-VI 公司已制造出樣品） 。而實(shí)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(méi)有大的進(jìn)步，并且更換設(shè)備機(jī)臺(tái)需要額外的資本支出， 6 英寸目前優(yōu)勢(shì)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制造MOSFET 更為簡(jiǎn)單。

外延生長(zhǎng)對(duì)應(yīng) wafer 尺寸

GaN 材料在自然界中缺少單晶材料，因而長(zhǎng)期在藍(lán)寶石、 SiC、 Si 等異質(zhì)襯底上進(jìn)行外延。 現(xiàn)今通過(guò)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)。

不同晶圓尺寸發(fā)展歷程

硅： 主流市場(chǎng)， 細(xì)分領(lǐng)域需求旺盛

從硅晶圓供給廠商格局： 日廠把控， 寡頭格局穩(wěn)定。日本廠商占據(jù)硅晶圓 50%以上市場(chǎng)份額。前五大廠商占據(jù)全球 90%以上份額。 其中，日本信越化學(xué)占比 27%、日本 SUMCO 占比 26%，兩家日本廠商份額合計(jì) 53%，超過(guò)一半，中國(guó)***環(huán)球晶圓于 2016 年 12 月晶圓產(chǎn)業(yè)低谷期間收購(gòu)美國(guó) SunEdison 半導(dǎo)體，由第六晉升第三名，占比 17%，德國(guó) Siltronic 占比 13%，韓國(guó) SK Siltron（原 LG Siltron， 2017年被 SK 集團(tuán)收購(gòu)） 占比 9%，與前四大廠商不同， SK Siltron 僅供應(yīng)韓國(guó)客戶。

此外還有法國(guó) Soitec、中國(guó)***臺(tái)勝科、合晶、嘉晶等企業(yè)，份額相對(duì)較小。各大廠商供應(yīng)晶圓類別與尺寸上有所不同，總體來(lái)看前三大廠商產(chǎn)品較為多樣。 前三大廠商能夠供應(yīng) Si 退火片、 SOI 晶片，其中僅日本信越能夠供應(yīng) 12 英寸 SOI 晶片。德國(guó)Siltronic、韓國(guó) SK Siltron 不提供 SOI 晶片， SK Siltron 不供應(yīng) Si 退火片。而 Si 拋光片與Si 外延片各家尺寸基本沒(méi)有差別。

硅晶圓供應(yīng)商競(jìng)爭(zhēng)力

近 15 年來(lái)日本廠商始終占據(jù)硅晶圓 50%以上市場(chǎng)份額。硅晶圓產(chǎn)能未發(fā)生明顯區(qū)域性轉(zhuǎn)移。 根據(jù) Gartner， 2007 年硅晶圓市占率第一日本信越（32.5%）、第二日本 SUMCO（21.7%）、第三德國(guó) Siltronic（14.8%） ； 2002 年硅晶圓市占率第一日本信越（28.9%）、第二日本 SUMCO（23.3%）、第三德國(guó) Siltronic（15.4%） 。 近期市場(chǎng)比較大的變動(dòng)是 2016年 12 月***環(huán)球晶圓收購(gòu)美國(guó) SunEdison，從第六大晉升第三大廠商。但日本廠商始終占據(jù) 50%+份額。

日本在 fab 環(huán)節(jié)競(jìng)爭(zhēng)力衰落而材料環(huán)節(jié)始終保持領(lǐng)先地位。 20 世紀(jì) 80 年代中旬，日本半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的世界份額曾經(jīng)超過(guò)了 50%。日本在半導(dǎo)體材料領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)從上世紀(jì)延續(xù)而來(lái)，而晶圓制造競(jìng)爭(zhēng)力明顯減弱， 半導(dǎo)體 fab 環(huán)節(jié)出現(xiàn)了明顯的區(qū)域轉(zhuǎn)移。究其原因， fab 環(huán)節(jié)離需求端較近，市場(chǎng)變動(dòng)大；但硅晶圓同質(zhì)化程度高，新進(jìn)入玩家需要在客戶有比較久的時(shí)間驗(yàn)證；且晶圓在晶圓代工中成本占比 10%以下，晶圓代工廠不愿為較小的價(jià)格差別冒險(xiǎn)更換不成熟的產(chǎn)品。

硅晶圓供應(yīng)商近 15 年份額變化

硅晶圓需求廠商格局： 海外為主， 國(guó)產(chǎn)廠商不乏亮點(diǎn)

IC 設(shè)計(jì)方面， 巨頭把控競(jìng)爭(zhēng)壁壘較高， 2018 年以來(lái) AI 芯片成為新成長(zhǎng)動(dòng)力。 高通、博通、聯(lián)發(fā)科、蘋(píng)果等廠商實(shí)力最強(qiáng)，大陸廠商海思崛起。 隨著科技發(fā)展引領(lǐng)終端產(chǎn)品升級(jí)，AI 芯片等創(chuàng)新應(yīng)用對(duì) IC 產(chǎn)品需求不斷擴(kuò)大，預(yù)計(jì)到 2020 年 AI 芯片市場(chǎng)規(guī)模將從 2016 年約 6 億美元升至 26 億美元， CAGR 達(dá) 43.9%，目前國(guó)內(nèi)外 IC 設(shè)計(jì)廠商正積極布局 AI 芯片產(chǎn)業(yè)。英偉達(dá)是 AI 芯片市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者， AMD 與特斯拉正聯(lián)合研發(fā)用于自動(dòng)駕駛的 AI 芯片。

對(duì)于國(guó)內(nèi)廠商，華為海思于 2017 年 9 月率先推出麒麟 970 AI 芯片，目前已成功搭載入 P20等機(jī)型；比特大陸發(fā)布的全球首款張量加速計(jì)算芯片 BM1680 已成功運(yùn)用于比特幣礦機(jī)；寒武紀(jì)的 1A 處理器、地平線的征程和旭日處理器也已嶄露頭角。IC 設(shè)計(jì)面向終端、面向市場(chǎng)成為必然，國(guó)內(nèi)廠商優(yōu)勢(shì)明顯。 IC 設(shè)計(jì)業(yè)以需求為導(dǎo)向，才能夠更好服務(wù)于下游客戶。海思、展銳等移動(dòng)處理芯片、基帶芯片廠商依靠近些年中國(guó)智能手機(jī)市場(chǎng)爆發(fā)迅速崛起，躋身世界 IC 設(shè)計(jì)十強(qiáng)，海思芯片已全面應(yīng)用到華為智能手機(jī)當(dāng)中，三星、小米等廠商亦采用了自研芯片， 現(xiàn)今中國(guó)為全球最大的終端需求市場(chǎng)，因而國(guó)內(nèi)IC 設(shè)計(jì)業(yè)有巨大發(fā)展優(yōu)勢(shì)。

全球 IC 設(shè)計(jì)廠商 2017 年排名

代工制造方面，廠商 Capex 快速增長(zhǎng)，三星、臺(tái)積電等巨頭領(lǐng)銜。 從資本支出來(lái)看，目前全球先進(jìn)制程芯片市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，全球排名前三的芯片制造商三星、英特爾、臺(tái)積電的Capex 均達(dá)到百億美元級(jí)別， 2017 年分別為 440/120/108 億美元，預(yù)計(jì)三星未來(lái)三年總Capex 接近 1100 億美元，英特爾和臺(tái)積電 2018 年 Capex 則預(yù)計(jì)分別達(dá)到 140 和 120 億美元，均有較大幅度的增長(zhǎng)，利于巨頭通過(guò)研發(fā)先進(jìn)制程技術(shù)和擴(kuò)張產(chǎn)線來(lái)占領(lǐng)市場(chǎng)。

從工藝制程來(lái)看，臺(tái)積電走在行業(yè)前列，目前已大規(guī)模生產(chǎn) 10nm 制程芯片， 7nm 制程將于 2018年量產(chǎn)；中國(guó)大陸最為領(lǐng)先的代工廠商中芯國(guó)際目前具備 28nm 制程量產(chǎn)能力，而臺(tái)積電早于 2011 年已具備 28nm 量產(chǎn)能力，相比之下大陸廠商仍有較大差距。

全球晶圓純代工（Pure-Play）廠商 2016 年排名

封測(cè)方面，未來(lái)高端制造+封測(cè)融合趨勢(shì)初顯，大陸廠商與臺(tái)廠技術(shù)差距縮小。 封裝測(cè)試技術(shù)目前已發(fā)展四代，在最高端技術(shù)上制造與封測(cè)已實(shí)現(xiàn)融合，其中臺(tái)積電已建立起CoWoS 及 InFO 兩大高階封裝生態(tài)系統(tǒng)，并計(jì)劃通過(guò)從龍?zhí)堆由熘林锌茖?InFO 產(chǎn)能擴(kuò)增一倍，以滿足蘋(píng)果 A12 芯片的需求。

封測(cè)龍頭日月光則掌握頂尖封裝與微電子制造技術(shù)，率先量產(chǎn) TSV/2.5D/3D 相關(guān)產(chǎn)品，并于 2018 年 3 月與日廠 TDK 合資成立日月旸電子擴(kuò)大 SiP布局。由于封裝技術(shù)門(mén)檻相對(duì)較低，目前大陸廠商正快速追趕，與全球領(lǐng)先廠商的技術(shù)差距正逐步縮小，大陸廠商已基本掌握 SiP、 WLCSP、 FOWLP 等先進(jìn)技術(shù)，應(yīng)用方面 FC、 SiP等封裝技術(shù)已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

全球半導(dǎo)體封裝廠商 2017 年排名

新一輪區(qū)域轉(zhuǎn)移面向中國(guó)大陸。 盡管目前 IC 設(shè)計(jì)、制造、封測(cè)的頂級(jí)廠商主要位于美國(guó)、中國(guó)***。總體來(lái)看，半導(dǎo)體制造產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了美國(guó)——日本——韓臺(tái)的發(fā)展歷程： 1950s，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)起源于美國(guó)， 1947 年晶體管誕生， 1958 年集成電路誕生。 1970s，半導(dǎo)體制造由美國(guó)向日本轉(zhuǎn)移。 DRAM 是日韓產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要切入點(diǎn)， 80s 日本已在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)處于領(lǐng)先地位。 1990s，以 DRAM 為契機(jī)，產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)向韓國(guó)三星、海力士等廠商；晶圓代工環(huán)節(jié)則轉(zhuǎn)向***，臺(tái)積電、聯(lián)電等廠商崛起。 2010s，智能手機(jī)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)爆發(fā)，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等產(chǎn)業(yè)快速成長(zhǎng)。人口紅利，需求轉(zhuǎn)移或?qū)?dòng)制造轉(zhuǎn)移，可以預(yù)見(jiàn)中國(guó)大陸已然成為新一輪區(qū)域轉(zhuǎn)移的目的地。

全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)美-日-韓區(qū)域轉(zhuǎn)移歷史

硅晶圓下游應(yīng)用拆分： 尺寸與制程雙輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)步

晶圓尺寸與工藝制程并行發(fā)展，每一制程階段與晶圓尺寸相對(duì)應(yīng)。 （1） 制程進(jìn)步→晶體管縮小→晶體管密度成倍增加→性能提升。 （2） 晶圓尺寸增大→每片晶圓產(chǎn)出芯片數(shù)量更多→效率提升→成本降低。 目前 6 吋、 8 吋硅晶圓生產(chǎn)設(shè)備普遍折舊完畢，生產(chǎn)成本更低，主要生產(chǎn) 90nm 以上的成熟制程。 部分制程在相鄰尺寸的晶圓上都有產(chǎn)出。 5nm 至 0.13μm則采用 12 英寸晶圓，其中 28nm 為分界區(qū)分了先進(jìn)制程與成熟制程，主要原因是 28nm 以后引入 FinFET 等新設(shè)計(jì)、新工藝，晶圓制造難度大大提升。

硅晶圓尺寸與制程對(duì)應(yīng)

晶圓需求總量來(lái)看， 12 英寸 NAND 及 8 英寸市場(chǎng)為核心驅(qū)動(dòng)力。 存儲(chǔ)用 12 寸硅晶圓占比達(dá) 35%為最大， 8 寸及 12 英寸邏輯次之。 以產(chǎn)品銷售額來(lái)看，全球集成電路產(chǎn)品中，存儲(chǔ)器占比約 27.8%，邏輯電路占比 33%，微處理器芯片合模擬電路分別占 21.9%和 17.3%。根據(jù)我們預(yù)測(cè)，全球 2016 年下半年 12 寸硅晶圓需求約 510 萬(wàn)片/月，其中用于邏輯芯片的需求 130 萬(wàn)片/月，用于 DRAM 需求 120 萬(wàn)片/月，用于 NAND 需求 160 萬(wàn)片/月，包括 NORFlash、 CIS 等其他需求 100 萬(wàn)片/月； 8 寸硅晶圓需求 480 萬(wàn)片/月，按面積折算至 12 寸晶圓約 213 萬(wàn)片/月， 6 寸以下晶圓需求約當(dāng) 12 寸 62 萬(wàn)片/月。

12 英寸、 8 英寸、 6 英寸晶圓需求結(jié)構(gòu)

由此估算，包括 NAND、 DRAM在內(nèi)用于存儲(chǔ)市場(chǎng)的 12 寸晶圓需求約占總需求 35%， 8 寸晶圓需求約占總需求 27%，用于邏輯芯片的 12 寸晶圓需求約占 17%。需求上看，目前存儲(chǔ)器貢獻(xiàn)晶圓需求最多， 8 寸中低端應(yīng)用其次。

8 英寸晶圓需求結(jié)構(gòu)

晶圓尺寸對(duì)應(yīng)產(chǎn)品類型

下游具體應(yīng)用來(lái)看， 12 英寸 20nm 以下先進(jìn)制程性能強(qiáng)勁， 主要用于移動(dòng)設(shè)備、 高性能計(jì)算等領(lǐng)域， 包括智能手機(jī)主芯片、計(jì)算機(jī) CPU、 GPU、高性能 FPGA、 ASIC 等。14nm-32nm 先進(jìn)制程應(yīng)用于包括 DRAM、 NAND Flash 存儲(chǔ)芯片、中低端處理器芯片、影像處理器、數(shù)字電視機(jī)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(duì)成本和生產(chǎn)效率要求高的領(lǐng)域，例如手機(jī)基帶、 WiFi、 GPS、藍(lán)牙、 NFC、 ZigBee、 NOR Flash 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(shí)別芯片、影像傳感器、電源管理芯片、液晶驅(qū)動(dòng) IC 等。 8 英寸 0.18μm-0.25μm 主要有非易失性存儲(chǔ)如銀行卡、 sim 卡等， 0.35μm 以上主要為 MOSFET、 IGBT 等功率器件。

制程-尺寸對(duì)應(yīng)下游應(yīng)用需求拆分

化合物半導(dǎo)體： 5G、 3D 感測(cè)、電動(dòng)汽車的關(guān)鍵性材料

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(chǎng)： 高技術(shù)門(mén)檻導(dǎo)致化合物半導(dǎo)體襯底市場(chǎng)寡占，日本、美國(guó)、德國(guó)廠商主導(dǎo)。GaAs 襯底目前已日本住友電工、德國(guó) Freiberg、美國(guó) 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(gòu)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(jì)超 85%。 SiC 襯底龍頭為美國(guó) Cree（Wolfspeed 部門(mén)），市場(chǎng)占比超三分之一，其次為德國(guó) SiCrystal、美國(guó) II-VI、美國(guó) Dow Corning，四家合計(jì)份額超 90%。近幾年中國(guó)也出現(xiàn)了具備一定量產(chǎn)能力的 SiC 襯底制造商，如北京天科合達(dá)半導(dǎo)體股份有限公司。

化合物半導(dǎo)體供應(yīng)商競(jìng)爭(zhēng)力

外延生長(zhǎng)市場(chǎng)中，英國(guó) IQE 市場(chǎng)占比超 60%為絕對(duì)龍頭。 英國(guó) IQE 及中國(guó)***全新光電兩家份額合計(jì)達(dá) 80%。 外延生長(zhǎng)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(jìng)爭(zhēng)力

化合物半導(dǎo)體晶圓需求廠商格局： IDM 與代工大廠并存

化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈呈現(xiàn)寡頭競(jìng)爭(zhēng)格局。 IDM 類廠商包括 Skyworks、 Broadcom（Avago）、 Qorvo、 Anadigics 等。 2016 年全球化合物半導(dǎo)體 IDM 呈現(xiàn)三寡頭格局， 2016年 IDM 廠商 Skyworks、 Qorvo、 Broadcom 在砷化鎵領(lǐng)域分別占據(jù) 30.7%、 28%、 7.4%市場(chǎng)份額。產(chǎn)業(yè)鏈呈現(xiàn)多模式整合態(tài)勢(shì)，設(shè)計(jì)公司去晶圓化及 IDM 產(chǎn)能外包成為必然趨勢(shì)。

全球砷化鎵元件（含 IDM）產(chǎn)值分布

化合物半導(dǎo)體晶圓代工領(lǐng)域穩(wěn)懋為第一大廠商，占比 66%，為絕對(duì)龍頭。 第二、第三為宏捷科技 AWSC、 環(huán)宇科技 GCS，占比分別為 12%、 9%。國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)推動(dòng)代工， 大陸化合物半導(dǎo)體代工龍頭呼之欲出。 目前國(guó)內(nèi) PA 設(shè)計(jì)已經(jīng)涌現(xiàn)了銳迪科 RDA、 唯捷創(chuàng)芯 vanchip、漢天下、 飛驤科技等公司。

全球砷化鎵代工市占率

國(guó)內(nèi)化合物半導(dǎo)體設(shè)計(jì)廠商目前已經(jīng)占領(lǐng) 2G/3G/4G/WiFi 等消費(fèi)電子市場(chǎng)中的低端應(yīng)用。 三安光電目前以 LED 應(yīng)用為主，有望在化合物半導(dǎo)體代工填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白，其募投產(chǎn)線建設(shè)順利，有望 2018 年年底實(shí)現(xiàn)4000-6000 片/月產(chǎn)能，成為大陸第一家規(guī)模量產(chǎn) GaAs/GaN 化合物晶圓代工企業(yè)。

化合物半導(dǎo)體晶圓下游應(yīng)用拆分：性能獨(dú)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(kāi)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(duì)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(duì)應(yīng)下游應(yīng)用

光學(xué)器件中， LED 為占比最大一項(xiàng)， LD/PD、 VCSEL 成長(zhǎng)空間大。 Cree 大約 70%收入來(lái)自 LED，其余來(lái)自功率、射頻、 SiC 晶圓。 SiC 襯底 80%的市場(chǎng)來(lái)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(duì)應(yīng)不同波長(zhǎng)光線： GaAs LED 發(fā)紅光、綠光， GaP 發(fā)綠光， SiC 發(fā)黃光， GaN 發(fā)藍(lán)光，應(yīng)用 GaN藍(lán)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(jiàn)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(lán)光激光發(fā)射器可以應(yīng)用于 CD、 DVD、藍(lán)光光盤(pán)的讀取。

各種材料工藝對(duì)應(yīng)輸出功率及頻率

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 與 SiC 功率器件應(yīng)用范圍對(duì)比

GaN 由于功率密度高，在基站大功率器件領(lǐng)域具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。 相對(duì)于硅襯底來(lái)說(shuō)， SiC襯底具有更好的熱傳導(dǎo)特性，目前業(yè)界超過(guò) 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(shì)。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(jìng)爭(zhēng)。 GaN 市場(chǎng)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。

下游主要應(yīng)用分析：從制程材料看芯片國(guó)產(chǎn)化程度

（1）智能手機(jī)： IC 設(shè)計(jì)率先追趕，代工、材料尚待突破。

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

智能手機(jī)內(nèi)部芯片對(duì)應(yīng)工藝-華為 P20

CPU 目前華為海思可以獨(dú)立設(shè)計(jì)，此外還包括小米松果等 fabless 設(shè)計(jì)公司， 但由于采用 12 英寸最先進(jìn)制程，制造主要依賴中國(guó)***企業(yè)； DRAM、 NAND 閃存國(guó)內(nèi)尚無(wú)相關(guān)公司量產(chǎn)；前端 LTE 模塊、 WiFi 藍(lán)牙模塊采用了 GaAs 材料， 產(chǎn)能集中于 Skyworks、 Qorvo 等美國(guó) IDM 企業(yè)以及穩(wěn)懋等中國(guó)***代工廠，中國(guó)大陸尚無(wú)砷化鎵代工廠商；射頻收發(fā)模塊、 PMIC、音頻 IC 可做到海思設(shè)計(jì)+foundry 代工，而充電控制 IC、 NFC 控制 IC 以及氣壓、陀螺儀等傳感器主要由歐美 IDM廠商提供。總體來(lái)看智能手機(jī)核心芯片國(guó)產(chǎn)率仍低，部分芯片如 DRAM、 NAND、射頻模塊等國(guó)產(chǎn)化幾乎為零。

以主流旗艦手機(jī) iPhone X 為例可以大致看出中國(guó)大陸芯片廠商在全球供應(yīng)鏈中的地位。 CPU 采用蘋(píng)果自主設(shè)計(jì)+臺(tái)積電先進(jìn)制程代工， DRAM、 NAND 來(lái)自韓國(guó)/日本/美國(guó) IDM廠商；基帶來(lái)自高通設(shè)計(jì)+臺(tái)積電先進(jìn)制程代工；射頻模塊采用砷化鎵材料，來(lái)自 Skyworks、Qorvo 等 IDM 廠商或博通+穩(wěn)懋代工；模擬芯片、音頻 IC、 NFC 芯片、觸控 IC、影像傳感器等均來(lái)自中國(guó)大陸以外企業(yè)，中國(guó)大陸芯片在蘋(píng)果供應(yīng)鏈中占比為零。而除芯片、屏幕以外的零部件大多有中國(guó)大陸供應(yīng)商打入，甚至部分由大陸廠商獨(dú)占。由此可見(jiàn)中國(guó)大陸芯片企業(yè)在全球范圍內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)力仍低。

智能手機(jī)內(nèi)部芯片對(duì)應(yīng)工藝- iPhone X

（2）通信基站： 大功率射頻芯片對(duì)美依賴性極高

通信基站對(duì)國(guó)外芯片依賴程度極高，且以美國(guó)芯片企業(yè)為主。 目前基站系統(tǒng)主要由基帶處理單元（BBU）及射頻拉遠(yuǎn)單元（RRU）兩部分組成， 通常一臺(tái) BBU 對(duì)應(yīng)多臺(tái) RRU 設(shè)備。 相比之下， RRU 芯片的國(guó)產(chǎn)化程度更低，對(duì)于國(guó)外依賴程度高。

基站 BBU+RRU 系統(tǒng)示意圖

這其中主要難點(diǎn)體現(xiàn)在 RRU 芯片器件涉及大功率射頻場(chǎng)景，通常采用砷化鎵或氮化鎵材料，而中國(guó)大陸缺乏相應(yīng)產(chǎn)業(yè)鏈。

RRU 內(nèi)部芯片門(mén)檻最高

美國(guó)廠商壟斷大功率射頻器件。 具體來(lái)看， 目前 RRU 設(shè)備中的 PA、 LNA、 DSA、 VGA等芯片主要采用砷化鎵或氮化鎵工藝，來(lái)自 Qorvo、 Skyworks 等公司，其中氮化鎵器件通常為碳化硅襯底，即 GaN on SiC。 RF 收發(fā)器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器采用硅基及砷化鎵工藝，主要廠商包括 TI、 ADI、 IDT 等公司。以上廠商均為美國(guó)公司，因而通信基站芯片對(duì)美國(guó)廠商依賴性極高。

基站通信設(shè)備主要芯片

（3）汽車電子： 產(chǎn)業(yè)技術(shù)日趨成熟， 部分已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化

汽車電子對(duì)于半導(dǎo)體器件需求以 MCU、NOR Flash、IGBT 等為主。 傳統(tǒng)汽車內(nèi)部主要以 MCU 需求較高，包括動(dòng)力控制、安全控制、發(fā)動(dòng)機(jī)控制、底盤(pán)控制、車載電器等多方面。新能源汽車還包括電子控制單元 ECU、功率控制單元 PCU、電動(dòng)汽車整車控制單元 VCU、混合動(dòng)力汽車整車控制器 HCU、電池管理系統(tǒng) BMS 以及逆變器核心部件 IGBT 元件。

傳統(tǒng)汽車內(nèi)部芯片

此外在以上相關(guān)系統(tǒng)以及緊急剎車系統(tǒng)、胎壓檢測(cè)器、安全氣囊系統(tǒng)等還需應(yīng)用 NOR Flash 作為代碼存儲(chǔ)。 MCU 通常采用 8 英寸或 12 英寸 45nm~0.15μm 成熟制程， NOR Flash 通常采用 45nm~0.13μm 成熟制程，國(guó)內(nèi)已基本實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

汽車內(nèi)部芯片

智能駕駛所采用半導(dǎo)體器件包括高性能計(jì)算芯片及 ADAS 系統(tǒng)。 高性能計(jì)算芯片目前采用 12 英寸先進(jìn)制程，而 ADAS 系統(tǒng)中的毫米波雷達(dá)則涉及砷化鎵材料，目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)法量產(chǎn)。

（4）AI 與礦機(jī)芯片： 成長(zhǎng)新動(dòng)力，國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)廠商實(shí)現(xiàn)突破

AI 芯片與礦機(jī)芯片屬于高性能計(jì)算，對(duì)于先進(jìn)制程要求較高。 在 AI 及區(qū)塊鏈場(chǎng)景下，傳統(tǒng) CPU 算力不足，新架構(gòu)芯片成為發(fā)展趨勢(shì)。當(dāng)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(jì)算架構(gòu)，采用模擬人腦神經(jīng)元結(jié)構(gòu)來(lái)提升計(jì)算能力的芯片路徑。 云端領(lǐng)域 GPU 生態(tài)領(lǐng)先，而終端場(chǎng)景專用化是未來(lái)趨勢(shì)。

AI 核心芯片簡(jiǎn)要梳理

根據(jù) NVIDIA 與 AMD 公布的技術(shù)路線圖， 2018 年 GPU 將進(jìn)入 12nm/7nm 制程。 而目前 AI、礦機(jī)相關(guān)的 FPGA 及 ASIC 芯片也均采用了 10~28nm 的先進(jìn)制程。國(guó)內(nèi)廠商涌現(xiàn)了寒武紀(jì)、深鑒科技、地平線、比特大陸等優(yōu)秀的 IC 設(shè)計(jì)廠商率先實(shí)現(xiàn)突破，而制造則主要依靠臺(tái)積電等先進(jìn)制程代工廠商。

主流礦機(jī)芯片對(duì)比

前景展望：部分領(lǐng)域有望率先突破，更多參與全球分工

現(xiàn)階段國(guó)產(chǎn)化程度低， 半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)實(shí)際依靠全球合作。 盡管我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)目前正處于快速發(fā)展階段，但總體來(lái)看存在總體產(chǎn)能較低， 全球市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力弱，核心芯片領(lǐng)域國(guó)產(chǎn)化程度低， 對(duì)國(guó)外依賴程度較高等現(xiàn)狀。 我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈在材料、設(shè)備、制造、設(shè)計(jì)等多個(gè)高端領(lǐng)域?qū)?guó)外高度依賴，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)自主替代需經(jīng)歷較漫長(zhǎng)道路。

當(dāng)前中國(guó)核心集成電路國(guó)產(chǎn)芯片占有率

根據(jù) IC Insight 數(shù)據(jù)顯示， 2015 年我國(guó)集成電路企業(yè)在全球市場(chǎng)份額僅有 3%，而美國(guó)、韓國(guó)、日本分別高達(dá)54%/20%/8%。 事實(shí)上，即便是美國(guó)、 韓國(guó)、 日本也無(wú)法達(dá)到半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈 100%自產(chǎn)。例如在先進(jìn)制程制造的核心設(shè)備光刻機(jī)方面依然依賴荷蘭 ASML 一家企業(yè)。更多參與全球分工，在此過(guò)程中逐漸提升國(guó)產(chǎn)化占比，是一條切實(shí)可行的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展道路。

中國(guó)大陸芯片下游需求端終端市場(chǎng)全備，供給端有望向中國(guó)大陸傾斜。 （1） 需求端：下游終端應(yīng)用市場(chǎng)全備，規(guī)模條件逐步成熟。隨著全球終端產(chǎn)品產(chǎn)能向中國(guó)轉(zhuǎn)移，中國(guó)已經(jīng)成為全球終端產(chǎn)品制造基地， 2017 年中國(guó)汽車、智能手機(jī)出貨量占全球比重分別達(dá) 29.8%、33.6%。芯片需求全面涵蓋硅基、化合物半導(dǎo)體市場(chǎng)，芯片市場(chǎng)空間巨大。（2）供給端：當(dāng)前中國(guó)大陸產(chǎn)值規(guī)模居前的 IC 設(shè)計(jì)、晶圓代工、存儲(chǔ)廠商寥寥數(shù)計(jì)，技術(shù)水平尚未達(dá)到領(lǐng)先水平，中高端芯片制造、化合物半導(dǎo)體芯片嚴(yán)重依賴進(jìn)口。隨著近些年終端需求隨智能手機(jī)等產(chǎn)業(yè)鏈而逐漸轉(zhuǎn)移至中國(guó)大陸，需求轉(zhuǎn)移或拉動(dòng)制造轉(zhuǎn)移，下游芯片供給端隨之開(kāi)始轉(zhuǎn)移至大陸。

國(guó)內(nèi)政策加速半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展。 近年來(lái)我國(guó)集成電路扶持政策密集頒布， 融資、稅收、補(bǔ)貼等政策環(huán)境不斷優(yōu)化。尤其是 2014 年 6 月出臺(tái)的《國(guó)家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)綱要》，定調(diào)“設(shè)計(jì)為龍頭、制造為基礎(chǔ)、裝備和材料為支撐”，以 2015、2020、2030 為成長(zhǎng)周期全力推進(jìn)我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展：目標(biāo)到 2015 年，集成電路產(chǎn)業(yè)銷售收入超過(guò) 3500 億元；到 2020 年，集成電路產(chǎn)業(yè)銷售收入年均增速超過(guò) 20%； 到 2030 年，集成電路產(chǎn)業(yè)鏈主要環(huán)節(jié)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，一批企業(yè)進(jìn)入國(guó)際第一梯隊(duì)，實(shí)現(xiàn)跨越發(fā)展。