【研報】電子行業大硅片深度報告：半導材料第一藍海硅片融合工藝創新-20200312[81頁].pdf

1、孫遠峰孫遠峰/ /鄭敏宏鄭敏宏/ /張大印張大印/ /王海維王海維/ /王臣復王臣復 SAC NO:S1120519080005SAC NO:S1120519080005 20192019年年3 3月月1212日日 請仔細請仔細閱讀在本報告尾部的重要法律聲明閱讀在本報告尾部的重要法律聲明 半導材料第一藍海，硅片融合工藝創新半導材料第一藍海，硅片融合工藝創新 大硅片深度報告大硅片深度報告 華西證券電子團隊華西證券電子團隊走進“芯”時代系列深度之二十二“大硅片”走進“芯”時代系列深度之二十二“大硅片” 1 僅供機構投資者使用僅供機構投資者使用 證券研究報告證券研究報告 2 引言：“大硅片”是半導體

2、國產化材料第一藍海市場引言：“大硅片”是半導體國產化材料第一藍海市場 1.1. 戰略意義最大，全球供應集中戰略意義最大，全球供應集中 本土12英寸制造逐步從投入期進入量產導入釋放期，不同于其他材料大多數由綜合化工廠提供，大硅片供應 集中度極高，主要由Shin-Etsu（日本）、SUMCO（日本）、環球晶圓（中國臺灣）等供應，本土化推進意義重大 2.2. 成本占比最高，市場空間最大成本占比最高，市場空間最大 大硅片是制造材料中唯一成本占比最高（超過1/3）的核心材料，現階段全球硅片市場規模約超120億美元 3.3. 創新空間足夠，同步工藝升級創新空間足夠，同步工藝升級 從功率類、到邏輯、再到存儲

3、；從130/90nm、到40/28nm、再到7/5nm，大硅片工藝和加工難度伴隨產品和工 藝升級具很高同步升級效應，高階產品可能高于初階產品810倍價格，企業具較高產品創新和升級空間 核心受益：中環股份、硅產業、晶盛機電、北方華創、金瑞泓核心受益：中環股份、硅產業、晶盛機電、北方華創、金瑞泓 rQtMoOmQmRsMnPoPpQxOsR8OdN6MpNoOtRnNlOoOsRfQoPtQbRmMuMuOpMsNNZsRmQ 3 目錄目錄 硅片為制造半導體器件的關鍵材料硅片為制造半導體器件的關鍵材料 硅片為主流材料趨勢不變，新一代化合物材料無法取代硅片為主流材料趨勢不變，新一代化合物材料無法取代

4、 半導體技術工藝升級，半導體設備已先行半導體技術工藝升級，半導體設備已先行 硅片市場重拾增長，進口替代為當務之急硅片市場重拾增長，進口替代為當務之急 國內硅片制造及設備商：國產大硅片制造和設備龍頭逐漸成型國內硅片制造及設備商：國產大硅片制造和設備龍頭逐漸成型 借鑒國際硅片巨頭成長路徑，對標國產硅片發展機遇借鑒國際硅片巨頭成長路徑，對標國產硅片發展機遇 國產硅片機遇來臨國產硅片機遇來臨 ：技術驗證達到標準，國內下游需求大幅增加：技術驗證達到標準，國內下游需求大幅增加 核心受益標的：國內硅片相關企業核心受益標的：國內硅片相關企業 硅片：應用于半導體和光伏領域；半導體應用價值高硅片：應用于半導體和光

5、伏領域；半導體應用價值高 硅片主要用于半導體、光伏兩大領域；其中，半導體硅片制造技術較難、下游應用廣泛、市場價值較高；為硅片主要應用領域。硅片主要用于半導體、光伏兩大領域；其中，半導體硅片制造技術較難、下游應用廣泛、市場價值較高；為硅片主要應用領域。 半導體硅片純度要求標準為半導體硅片純度要求標準為1111個個9 9以上以上(99.999999999%)(99.999999999%)，光伏相對要求較低，純度標準為，光伏相對要求較低，純度標準為4 4至至6 6個個9(99.9999%)9(99.9999%)；半導體大硅片表；半導體大硅片表 面的平整度、光滑度以及潔凈度要控制在面的平整度、光滑度以

6、及潔凈度要控制在1nm1nm以內，因此需要通過研磨、倒角、拋光、清洗等精密且嚴謹的工藝才能制作完成。以內，因此需要通過研磨、倒角、拋光、清洗等精密且嚴謹的工藝才能制作完成。 4 半導體領域的細分市場（半導體領域的細分市場（20182018） 半導體級硅材料的應用領域為集成電路、 分立器件、傳感器。光電子器件因為需要 更靈敏光電效應，主要采用化合物材料。 集成電路：集成電路：可細分為邏輯芯片、存儲芯片 、微處理器、模擬芯片等應用領域。 分立器件：分立器件：可細分為二極管、三極管、晶 閘管、功率器件等應用領域。 2020年起，國內的集成電路、功率器件領 域在電子產品革新下進入擴產增長周期。 硅片材

7、料：分為半導體硅片材料：分為半導體( (電子級電子級) )和光伏（太陽能級）應用領域和光伏（太陽能級）應用領域 83.90% 5.10% 8.10% 2.90% 集成電路分立器件光電子器件傳感器 資料來源： WSTS、華西證券研究所 半半 導導 體體 硅硅 片片 光光 伏伏 硅硅 片片 單晶硅棒單晶硅棒 多晶硅錠多晶硅錠 單晶硅片單晶硅片 多晶硅片多晶硅片 多晶硅材料多晶硅材料 單晶電池單晶電池 多晶電池多晶電池 晶硅組件晶硅組件 光伏光伏 發電系統發電系統 單晶硅棒單晶硅棒拋光硅片拋光硅片半導體器件半導體器件 集成電路集成電路 分立器件分立器件 邏輯芯片邏輯芯片 存儲芯片存儲芯片 模擬芯片模

8、擬芯片 微處理器微處理器 二二/ /三極管三極管 晶閘管晶閘管 功率器件功率器件傳感器傳感器 5 硅片：半導體產業鏈的關鍵基石硅片：半導體產業鏈的關鍵基石 石英砂石英砂 多晶硅多晶硅單晶硅棒單晶硅棒 硅片（晶圓）硅片（晶圓） 熔化提煉熔化提煉 拉單晶、拋光、量測等工藝拉單晶、拋光、量測等工藝 前道制造工藝前道制造工藝后道封測工藝后道封測工藝芯片芯片 硅片制造硅片制造芯片制造芯片制造 硅片制造設備硅片制造設備 立式爐立式爐CMPCMP拋光機拋光機量測設備量測設備 硅片產業鏈硅片產業鏈 資料來源： SUMCO、Wiki 、華西證券研究所 半導體產業鏈半導體產業鏈 ICIC制作制作ICIC封測封測

9、硅片的質量會直接影響制作完 成芯片的質量和良率。 為了保障芯片的質量，硅片廠 商需接受芯片制造商嚴格的質 量認證，一旦通過驗證，一般 會形成長期穩定合作關系。 有鑒于全球硅片產能有限，硅 片廠商的議價能力較強。 硅片是半導體產業鏈的起點，是產業的最上游，貫通了整個芯片制造的前道和后道工藝，沒有硅片半導體行業將如無源之水。硅片是半導體產業鏈的起點，是產業的最上游，貫通了整個芯片制造的前道和后道工藝，沒有硅片半導體行業將如無源之水。 硅片的產量和質量直接制約整個半導體產業，及更下游的通信、汽車、計算機等眾多行業的發展，是制造芯片的關鍵材料。硅片的產量和質量直接制約整個半導體產業，及更下游的通信、汽

10、車、計算機等眾多行業的發展，是制造芯片的關鍵材料。 資料來源： SUMCO、Wiki 、華西證券研究所 制作完成的硅片會交貨給芯片制作商， 通過前道制作工藝將硅片制成芯片，最 后再通過后道封裝檢測工藝完成芯片的 檢測、封存和包裝，最終成為用于電子 產品的芯片。 6 硅片：半導體產業鏈的關鍵基石硅片：半導體產業鏈的關鍵基石 拉單晶拉單晶磨外圓磨外圓切片切片倒角倒角雙面研磨雙面研磨CMPCMP拋光拋光 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沉積沉積光刻曝光光刻曝光刻蝕刻蝕CMPCMP拋光拋光清洗清洗離子注入離子注入PVDPVD鍍膜鍍膜 后 道

11、封 測 后 道 封 測 前道工藝重復數十次：通過前道量測設備，反復控制工藝質量前道工藝重復數十次：通過前道量測設備，反復控制工藝質量 二氧化硅 晶圓切割晶圓切割引線鍵合引線鍵合晶圓檢測晶圓檢測背面減薄背面減薄模塑模塑封裝成型封裝成型裝箱裝箱 資料來源：SEMI、Google、華西證券研究所 硅片硅片 通過硅片量測設備，控制工藝質量通過硅片量測設備，控制工藝質量 7 硅片：硅片：貫穿芯片每道制程，成本貫穿芯片每道制程，成本占比最大的半導體材料占比最大的半導體材料 硅片是唯一貫穿每道制程的半導體材料硅片是唯一貫穿每道制程的半導體材料硅片在半導體材料中成本占比最大（硅片在半導體材料中成本占比最大（2

12、0182018） 資料來源： SEMI、華西證券研究所 資料來源： 電子產業信息網、華西證券研究所 硅片是半導體制程中最關鍵的基礎核心材料，成本占比最高為硅片是半導體制程中最關鍵的基礎核心材料，成本占比最高為37%37%；其中，；其中，1212英寸大硅片占比英寸大硅片占比64%64%。芯片制造即是通過在硅片芯片制造即是通過在硅片 上反復循環光刻、刻蝕、離子注入、薄膜沉積等前道工藝，改變硅的導電性和構建電晶體結構，最終形成半導體器件。上反復循環光刻、刻蝕、離子注入、薄膜沉積等前道工藝，改變硅的導電性和構建電晶體結構，最終形成半導體器件。 襯底 準備 清洗液反應氣 氧化 增層 光刻膠 涂層 光刻膠

13、及 精助試劑 前烘 光刻 曝光 掩模版顯影液 顯影后烘堅膜刻蝕 刻蝕氣刻 蝕液體 利用掩模版 重復若干次 芯片 成品 封裝測試 背面金 屬化 背面研 磨減薄 PVD 濺射 CMP 拋光 CVD 沉積 化學氣相 沉積氣體 離子 參雜 去膠 封裝 材料 拋光液 拋光墊 清洗液 靶材 拋光液 拋光墊 清洗液 化學相 沉積氣 體 參 雜 氣 去 膠 劑 硅片硅片 半導體材料半導體材料 ICIC制作工藝制作工藝 硅片 37% 電子氣體 13% 光掩膜 12% 光刻膠配套 化學品 7% 拋光材料 7% 光刻膠 5% 濕法化學品 6% 濺鍍靶材 2% 其他 11% 1212英寸在硅片中的市場占比最大（英寸在

14、硅片中的市場占比最大（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%半導體器件采用硅襯底半導體器件采用硅襯底, ,全球市場規模約全球市場規模約750750億元億元 資料來源： Siltronic、華西證券研究所 硅片支撐整個半導體產業和電子產品革新（硅片支撐整個半導體產業和電子產品革新（20182018） 硅在半導體器件的襯底材料占比硅在半導體器件的襯底材料占比95%95% （20182018） 電子產品電子產品 16,22016,220億美元億美元 半導體制造半導體制造 4,5604,560億美元億美元 半導體硅

15、片半導體硅片 114114億美元億美元 電子用硅原料電子用硅原料 1212億美元億美元 95% 5% 硅半導體化合物半導體 資料來源： SIA、Yole、華西證券研究所 硅片是半導體產業核心支撐：根據硅片是半導體產業核心支撐：根據SiltronicSiltronic數據，數據，20182018年全球硅片市場規模年全球硅片市場規模114114億美元（約億美元（約750750億元人民幣）；硅片廣泛用于億元人民幣）；硅片廣泛用于 制成半導體和各類電子產品。硅是目前半導體器件的主要襯底材料，在半導體材料的市場份額占比制成半導體和各類電子產品。硅是目前半導體器件的主要襯底材料，在半導體材料的市場份額占比

16、95%95%。 硅材料在自然界中的儲量豐富，且提煉的 工藝技術已經相當成熟，加上易于氧化形 成二氧化硅，二氧化硅的薄膜絕緣性好， 有利于提升半導體器件的穩定性。 根據SIA數據，至2018年，半導體器件95% 以上皆采用硅作為襯底材料。 9 硅片需求量同步增長：半導體器件和終端應用增加硅片需求量同步增長：半導體器件和終端應用增加 硅片需求量和半導體行業同步增長（硅片需求量和半導體行業同步增長（19801980- - 20222022） 半導體器件和終端應用增加半導體器件和終端應用增加 硅片的需求量受益于半導體產品的技術革新和終端電子消費品類增加；硅片的需求量受益于半導體產品的技術革新和終端電子

17、消費品類增加；20122012- -20182018年全球半導體行業的市場規模的年復合增長年全球半導體行業的市場規模的年復合增長 率為率為8.0%8.0%，全球硅片出貨面積的年復合增長率為，全球硅片出貨面積的年復合增長率為5.9%5.9%。 至至20202020年起，大數據年起，大數據/ /新能源新能源/ /自動化趨勢開啟了新一代電子產品革新，支撐硅片的需求持續增長。自動化趨勢開啟了新一代電子產品革新，支撐硅片的需求持續增長。 資料來源： Siltronic、華西證券研究所資料來源： SEMI、Gartner、華西證券研究所 電子產品驅動因素電子產品驅動因素 大數據爆發：物聯網設備、數據中心、

18、人工智能大數據爆發：物聯網設備、數據中心、人工智能 新能源：新能源汽車、智慧電網新能源：新能源汽車、智慧電網 自動化：自動駕駛、機器人自動化：自動駕駛、機器人 600 480 360 240 120 0 200000 16000 12000 8000 4000 0 十億美元百萬英寸/年 半導體市場規模半導體市場規模 硅片出貨面積硅片出貨面積 19801985 1990199520002005 2010 2015 201 8 2020E2022E 10 資料來源：前瞻產業研究院、華西證券研究所 硅片工藝同步升級：半導體材料硅片工藝同步升級：半導體材料/ /結構結構/ /工藝趨向復雜工藝趨向復雜

19、硅片尺寸變大（硅片尺寸變大（1212英寸持續為主流）英寸持續為主流） 硅片尺寸隨技術節點推進變大，硅片尺寸隨技術節點推進變大，1212英寸成為主流。英寸成為主流。硅片尺寸規格約每十年增長一次，目前雖然已經做出18英寸硅片，但由于成本 較高，尚不具備經濟價值，因此未來幾年的先進制程芯片，還將持續以12英寸作為主流尺寸。 硅片工藝同步芯片技術進步，價值量將向上迭代硅片工藝同步芯片技術進步，價值量將向上迭代。雖然硅片尺寸將維持12英寸，但隨著半導體技術進步，芯片在材料/結構/工藝 上皆有升級；半導體遵循一代芯片、一代硅片原則，硅片工藝必須同步芯片技術節點向前推進；因此，硅片價值量將向上迭代。 硅片工

20、藝升級（同步半導體工藝硅片工藝升級（同步半導體工藝/ /結構結構/ /材料技術進材料技術進 步）步） 資料來源：LAM、華西證券研究所 11 資料來源：ASML、華西證券研究所資料來源：TSMC、IC Knowledge、華西證券研究所 大 硅 片 價 格 指 數 大 硅 片 價 格 指 數 技術節點技術節點 半導體技術升級：芯片種類變多、技術節點革新半導體技術升級：芯片種類變多、技術節點革新硅片價格指數隨技術升級倍數增長硅片價格指數隨技術升級倍數增長 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臺積電為例： 硅片價格同步倍增：半導體技術節點迭代

21、升級硅片價格同步倍增：半導體技術節點迭代升級 硅片價值量向上迭代，從功率類、到邏輯、再到存儲；從硅片價值量向上迭代，從功率類、到邏輯、再到存儲；從130/90nm130/90nm、到、到40/28nm40/28nm、再到、再到7/5nm7/5nm，大硅片工藝和加工難度伴隨產品，大硅片工藝和加工難度伴隨產品 和工藝升級具很高同步升級效應，企業具較高產品創新和升級空間。和工藝升級具很高同步升級效應，企業具較高產品創新和升級空間。 未來五年技術節點持續革新未來五年技術節點持續革新 12 半導體技術持續創新：未來十年摩爾定律將延續半導體技術持續創新：未來十年摩爾定律將延續 More than Moor

22、eMore than Moore：功能多樣化：功能多樣化 More MooreMore Moore：制程線寬縮?。褐瞥叹€寬縮小 基礎基礎CMOSCMOS器件：器件：CPUCPU、邏輯芯片、存儲芯片、邏輯芯片、存儲芯片 130nm130nm 90nm90nm 65nm65nm 45nm45nm 28nm28nm 16nm16nm 14nm14nm 10nm10nm 7nm7nm 5nm5nm 3nm3nm 模擬模擬/RF/RF高壓功率高壓功率服務器服務器MEMSMEMSRFID/NFCRFID/NFC 電路設計以及系統算法優化電路設計以及系統算法優化 2.5D/3D2.5D/3D維結構封裝維結構

23、封裝 系統級封裝系統級封裝(SiP)(SiP) 數位信息數位信息 高度集成芯片高度集成芯片 系統級芯片系統級芯片(SoC)(SoC) 資料來源：CETC、華西證券研究所 依照摩爾定律發展：半導體技術將朝向依照摩爾定律發展：半導體技術將朝向SiPSiP和和SoCSoC方向持續創新方向持續創新 未來十年內，半導體技術將延續摩爾定律未來十年內，半導體技術將延續摩爾定律 持續創新，主要采結合持續創新，主要采結合SoCSoC和和SiPSiP兩條路徑兩條路徑 的方式，可望帶動大硅片工藝同步升級：的方式，可望帶動大硅片工藝同步升級： SoCSoC系統級芯片系統級芯片 (More Moore) (More M

24、oore) SoCSoC是從設計角度出發，通過電路設計是從設計角度出發，通過電路設計 將系統所需的組件高度集成到一塊芯將系統所需的組件高度集成到一塊芯 片上，在一個芯片上集結了各種功能片上，在一個芯片上集結了各種功能 模塊，擁有更高的芯片密度和運算能模塊，擁有更高的芯片密度和運算能 力。力。但是，近年來SoC芯片的生產成本 越來越高，技術難度和障礙升高，逐 漸出現技術瓶頸，因此行業開始同步 發展SiP系統及封裝技術，將SoC芯片 和存儲芯片或其他功能芯片封裝集成 為一顆新的芯片，提高芯片的性能和 縮小尺寸。 SiPSiP系統級封裝（系統級封裝（More than MooreMore than

25、Moore） SiPSiP是從封裝的角度出發，把多個半導是從封裝的角度出發，把多個半導 體芯片和元器件封裝在同一個芯片內體芯片和元器件封裝在同一個芯片內 ，組成一個系統級的芯片。，組成一個系統級的芯片。例如將存 儲芯片和系統級芯片SoC通過穿孔的方 式連接在一起，使得每單位集成更多 電晶體，大幅提高芯片性能，縮小芯 片尺寸。突破了傳統封裝或是PCB線寬 尺寸較大的瓶頸。 13 目錄目錄 硅片為制造半導體器件的關鍵材料硅片為制造半導體器件的關鍵材料 硅片為主流材料趨勢不變，新一代化合物材料無法取代硅片為主流材料趨勢不變，新一代化合物材料無法取代 半導體技術工藝升級，半導體設備已先行半導體技術工藝

26、升級，半導體設備已先行 硅片市場重拾增長，進口替代為當務之急硅片市場重拾增長，進口替代為當務之急 國內硅片制造及設備商：國產大硅片制造和設備龍頭逐漸成型國內硅片制造及設備商：國產大硅片制造和設備龍頭逐漸成型 借鑒國際硅片巨頭成長路徑，對標國產硅片發展機遇借鑒國際硅片巨頭成長路徑，對標國產硅片發展機遇 國產硅片機遇來臨國產硅片機遇來臨 ：技術驗證達到標準，國內下游需求大幅增加：技術驗證達到標準，國內下游需求大幅增加 核心受益標的：國內硅片相關企業核心受益標的：國內硅片相關企業 14 半導體技術升級：新一代化合物材料和硅基共存共生半導體技術升級：新一代化合物材料和硅基共存共生 半導體材料發展趨勢半

27、導體材料發展趨勢 化合物材料隨著電子產品技術革新而導入化合物材料隨著電子產品技術革新而導入 資料來源：半導體材料的發展現狀及趨勢、華西證券研究所 資料來源： 新材料、華西證券研究所 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 儲量豐富 性能接近 物理極限 寬禁帶、高臨 界擊穿電場強 度，高飽和漂 移速率、高熱 導率。 應用于高壓、 高頻、大功率 領域。 高電子遷移 率，高光電 轉換效率。 應用于高速 高頻和光電 轉換領域。 材料材料主要應用領域主要應用領域制作元件制作元件使用場景使用場景 SiSi 集成電路集成電路 分立器

28、件分立器件 邏輯芯片計算機、手機等電子產品運算功能 存儲芯片計算機、手機等電子產品存儲功能 二極管、晶體管 實現對交流電整流、對調制信號檢 波、限幅和鉗位以及對電源電壓的 穩壓等多種功能 晶閘管高頻、低壓、直流輸配電、整流 功率器件 消費電子產品領域逆變、變頻等電 能轉換 GaAsGaAs GaNGaN、SiCSiC 光電子元件光電子元件 射頻器件射頻器件 功率器件功率器件 LED 電視、光通信、傳感器等顯示設備 光源 激光二級管 激光器、打印機、汽車招面、光通 信等儀器光源 射頻芯片、功率 放大器 高頻、遠距離智能手機；基站通信 設備、微波中繼器、衛星通信 功率器件 新能源交通、軌道交通、發

29、電與配 電的高壓、高頻、大電流等高規格 功率器件應用 隨著科技發展，硅材料遇到物理極限，無法滿足現代 高規格電子產品對高溫、高功率、高壓、高頻率以及 抗輻射等惡劣條件的新要求，因此，具備對應優勢的 化合物材料開始導入半導體應用。 硅半導體用于邏輯器件硅半導體用于邏輯器件、存儲器存儲器、分立器件等領域；化合物半導體則在射頻器件分立器件等領域；化合物半導體則在射頻器件、光電器件光電器件、功率器件有很大發展潛力；功率器件有很大發展潛力； 新一代化合物材料一般采用硅作襯底新一代化合物材料一般采用硅作襯底（碳化硅除外碳化硅除外，碳化硅一般也用作襯底材料碳化硅一般也用作襯底材料）；硅和化合物材料屬于共存共

30、生；硅和化合物材料屬于共存共生，將硅基襯將硅基襯 底生長的化合物外延片底生長的化合物外延片，應用于光電子應用于光電子、射頻射頻、功率等具備高頻功率等具備高頻、高壓高壓、高功率特性器件高功率特性器件。 5G/AI/IoT5G/AI/IoT 15 新一代半導體材料發展趨勢：結合硅襯底為主要路線新一代半導體材料發展趨勢：結合硅襯底為主要路線 硅基氮化鎵為主流趨勢（硅襯底）硅基氮化鎵為主流趨勢（硅襯底） 氮化鎵（氮化鎵（GaNGaN）單晶價格高昂，）單晶價格高昂，2 2英寸英寸GaNGaN單晶售價高達單晶售價高達2 2萬多元，是同面積硅材料的數十倍；因此，萬多元，是同面積硅材料的數十倍；因此，在商業方

31、案中，通常采用在商業方案中，通常采用 硅基氮化鎵外延片（在硅襯底上外延生長氮化鎵）硅基氮化鎵外延片（在硅襯底上外延生長氮化鎵），可以大幅降低，可以大幅降低GaNGaN的采用成本，滿足主流市場的應用需求。的采用成本，滿足主流市場的應用需求。 氮化鎵異質外延片（在其他材料上生長氮化鎵異質外延片（在其他材料上生長GaNGaN） 資料來源：電子設計技術、華西證券研究所 資料來源：Yole、華西證券研究所 GaN單晶襯底上生長氮化鎵稱為同質外延片，GaN在其 他材料襯底上生長氮化鎵稱為異質外延片；其中，藍 寶石氮化鎵用來做LED；硅基氮化鎵可以做功率器件 和小功率的射頻；碳化硅氮化鎵可以制造大功率LED

32、 、大功率器件和大功率射頻芯片。 至2020年，小米已推出基于硅基氮化鎵的行動快充，小米已推出基于硅基氮化鎵的行動快充， 體積比傳統快充更小，功率密度還更大，充電速度更體積比傳統快充更小，功率密度還更大，充電速度更 快，硅基氮化鎵正在驅動消費端功率器件的升級?？?，硅基氮化鎵正在驅動消費端功率器件的升級。 襯底外延芯片應用領域 藍寶石 硅 碳化硅 氮化鎵 氮化鎵 外延 LED芯片 功率器件 射頻芯片 激光器件 紅光-藍光的LED芯片； 發光器件；顯示屏等； 新能源汽車；功率轉換 器；電機控制器等 射頻傳感器；通訊基站 ；雷達；5G芯片等 藍光、綠光、紫光、紫 外激光器等 成本導向成本導向 表現導

33、向表現導向 資料來源： CNKI、華西證券研究所 5G5G和大功率的技術革新驅動化合物材料發展和大功率的技術革新驅動化合物材料發展 新一代化合物材料特性：用于光電新一代化合物材料特性：用于光電/ /通信通信/ /功率器件的升級功率器件的升級 16 半導體材料的特性對比半導體材料的特性對比 資料來源： 半導體行業觀察、華西證券研究所 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 能帶寬度熱導率飽和電子漂移速度擊穿電場 SiGaAsGaN 材料特性材料特性硅硅( (Si)Si)砷化鎵砷化鎵( (GaA

34、s)GaAs) 氮化鎵氮化鎵( (GaNGaN) )化合物材料優勢化合物材料優勢 能帶類型間接直接直接 化合物材料具備高 功率密度、高熱導 率、快速開關、尺 寸較小、適用高頻 率等特性?；衔?材料可以滿足光電 元件、射頻元件、 功率器件的技術革 新對高壓、高頻、 大功率的需求。 能帶寬度（eV）1.11.43.4 電子遷移率135080001500 飽和電子漂移速度 10.82.5 熱導率（W/cm.k）1.490.541.3 臨界貫穿電場 0.30.73.5 最高工作溫度175350800 RF Power Frequency 1 GHz10 GHz100 GHz 10W 100W 高頻、

35、高功率高頻、高功率 半導體材料不同特性適用于不同領域半導體材料不同特性適用于不同領域 SiSi：化合物襯底化合物襯底，集成電路集成電路、性能要求低功率性能要求低功率、射頻器件射頻器件。 GaAsGaAs：光電子器件光電子器件、傳輸距離遠頻率較高的射頻器件傳輸距離遠頻率較高的射頻器件。 GaNGaN：光電子器件光電子器件、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：化合物襯底化合物襯底，600600V V以上大功率器件以上大功率器件。 硅晶圓在各個尺寸的制作技術已相當成熟硅晶圓在各個尺寸的制作技術已相當成熟 17 硅材料：技術成熟且具經濟規模，為主要

36、半導體器件材料硅材料：技術成熟且具經濟規模，為主要半導體器件材料 硅材料具備難以替代的綜合優勢硅材料具備難以替代的綜合優勢 資料來源：地球地殼中的化學元素豐度、華西證券研究所 資料來源： 半導體行業觀察、華西證券研究所 硅在硅在2121世紀取代了鍺成為主流的半導體材料世紀取代了鍺成為主流的半導體材料,直至今日， 其地位依然穩固，硅的主要優勢有： 硅的儲量豐富、成本低、具經濟規模：硅的儲量豐富、成本低、具經濟規模：硅是地殼中含量 最豐富的元素之一，占地殼元素含量的27.7%，占地球 全部元素含量的15.1%；獲取材料容易。 提煉單晶硅技術成熟：提煉單晶硅技術成熟：硅片的制作技術從1970年的2英

37、 寸晶圓進步至2000年的12英寸晶圓，2010年行業甚至做 出18英寸的硅片，但是因不具經濟效益而未大規模采用 ，卻也顯示硅片的制作技術相當成熟。 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 通過加熱的方式生成二氧化硅層，可以有效保護硅的表 面并作為絕緣體防止半導體的漏電現象，提高半導體元 件的穩定性和可靠性。 資料來源： Wiki、華西證券研究所 多晶硅多晶硅石英石英單晶硅單晶硅 硅在地殼中的元素儲量豐富硅在地殼中的元素儲量豐富 氧, 46.70% 硅, 27.70% 鋁, 8.07% 鐵, 5.05% 鈣, 3.65% 鈉, 2.75% 鉀,

38、2.58% 鎂, 2.08%其他, 1.42% 晶圓尺寸晶圓尺寸SiSi拋光片拋光片GaAsGaAs襯底襯底GaNGaNSiCSiC襯底襯底 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發中研發中研發中研發中 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 第二代半導體材料：砷化鎵（第二代

39、半導體材料：砷化鎵（GaAsGaAs）、磷化銦（）、磷化銦（InPInP） GaAsGaAs主要用于通信、射頻領域主要用于通信、射頻領域 砷化鎵砷化鎵 第二代半導體材料第二代半導體材料 資料來源： 砷化鎵制作技術、華西證券研究所 砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP）為最具代表性的 第二代半導體材料；GaAs技術發展最成熟；GaAs因 其寬禁帶、直接帶隙和高電子遷移率的特點，適用 于制作高速、高頻、大功率以及發光電子器件，和 通信器件器件等。GaAsGaAs的主要應用領域為通信，在的主要應用領域為通信，在 光纖通訊、衛星通訊、微波通訊等領域都有較多應光纖通訊、衛星通訊、微波通訊等領域都有較多應

40、用。用。 GaAs、InP等化合材料的原料稀缺，需通過合成形化合材料的原料稀缺，需通過合成形 成，價格相對較高，成，價格相對較高，并且對環境危害性較大，使得 其難以被更廣泛應用，局限性較大，逐漸被第三代 半導體材料取代。 資料來源：MoneyDJ、華西證券研究所 氧氣 砷（99%） 高純砷 化合物 氫氣高純鎵 高純砷 （99.99999%） 砷 化 鎵 多 晶 砷 化 鎵 單 晶 砷 化 鎵 單 晶 片 轉化、蒸餾還原、升華 化合物材料需通過合成制備（化合物材料需通過合成制備（GaAsGaAs） 單晶生長 切割、研磨、清洗等 資料來源：Yole、華西證券研究所 19 第三代半導體材料：氮化鎵（

41、第三代半導體材料：氮化鎵（GaNGaN）、碳化硅（）、碳化硅（SiCSiC） GaNGaN、SiCSiC適用于高功率和高頻率的應用場景適用于高功率和高頻率的應用場景 第三代半導體材料第三代半導體材料 資料來源： MoneyDJ、華西證券研究所 氮化鎵氮化鎵 氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）為最成熟的第三代半導體 材料又稱寬禁帶半導體材料（禁帶寬度大于2.2ev），其 余包括氧化鋅、金剛石、氮化鋁的研究還處于起步階段。 GaN、SiC能過夠大幅提升電子器件的高壓、高頻、高功率 的工作特性，在軍事、新能源、電動汽車等領域具有非常 大的應用前景。 GaNGaN：目前主要用于功率器件領域，未來在高頻

42、通信領域目前主要用于功率器件領域，未來在高頻通信領域 也將有極大應用潛力。也將有極大應用潛力。未來當未來當5G5G標準頻率超過標準頻率超過40GHz40GHz，砷，砷 化鎵將無法負荷，必須采用氮化鎵化鎵將無法負荷，必須采用氮化鎵。 SiCSiC：目前主要用于高溫、高頻、高效能的大功率元件目前主要用于高溫、高頻、高效能的大功率元件， 具備耐高溫、耐腐蝕、熱穩定性好等優勢。 資料來源：電子設計技術、華西證券研究所 高功率高功率 高頻率高頻率 0% 20% 40% 60% 80% 100% 201520162017201820192020E 2021E 2022E 2023E 2024E 2025E

43、 GaNGaAsLDMOS 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 2014201520162017201820192020E2021E2022E2023E2024E GaN-on-SiGaN-on-SiCGaN-on-GaN 半導體材料發展趨勢：硅依然為主流半導體材料半導體材料發展趨勢：硅依然為主流半導體材料 Si Si 硅硅 硅襯底硅襯底 化合物化合物 1960S 1970S 1980S 1990S 2000S 2010S 2020E 2030E 市市 場場 規規 模模 未來趨勢： 硅和硅襯底化合物 為主流材料 硅材料依然為主流半導體材料硅材料依然為主流半導體材料 GaNG

44、aN- -onon- -SiSi硅基氮化鎵為主要硅基氮化鎵為主要GaNGaN應用方式應用方式 GaNGaN在射頻芯片的應用占比上升在射頻芯片的應用占比上升 資料來源：Yole、華西證券研究所 資料來源：LuxResearch、華西證券研究所 資料來源：Yole、華西證券研究所 即使在即使在5G/IoT/AI5G/IoT/AI等技術導入下，硅襯底的化合物等技術導入下，硅襯底的化合物 材料也能滿足射頻芯片、功率器件對高頻、高壓、材料也能滿足射頻芯片、功率器件對高頻、高壓、 高功率的的需求，而且更具有經濟效益；高功率的的需求，而且更具有經濟效益； 在目前的電子產品應用中，在目前的電子產品應用中，僅有

45、軍工、安防、航天 等少部分需要超高規格的應用領域，才需采用化合 物單晶材料。 硅材料在未來十年的技術革新下，將維持主流半導體材料的地位，朝向硅自主材料和硅襯底化合物兩條路經發展。硅材料在未來十年的技術革新下，將維持主流半導體材料的地位，朝向硅自主材料和硅襯底化合物兩條路經發展。 LDMOS GaAs GaN GaN-on-Si 單位：十億美元 20 21 目錄目錄 硅片為制造半導體器件的關鍵材料硅片為制造半導體器件的關鍵材料 硅片為主流材料趨勢不變，新一代化合物材料無法取代硅片為主流材料趨勢不變，新一代化合物材料無法取代 半導體技術工藝升級，半導體設備已先行半導體技術工藝升級，半導體設備已先行

46、 硅片市場重拾增長，進口替代為當務之急硅片市場重拾增長，進口替代為當務之急 國內硅片制造及設備商：國產大硅片制造和設備龍頭逐漸成型國內硅片制造及設備商：國產大硅片制造和設備龍頭逐漸成型 借鑒國際硅片巨頭成長路徑，對標國產硅片發展機遇借鑒國際硅片巨頭成長路徑，對標國產硅片發展機遇 國產硅片機遇來臨國產硅片機遇來臨 ：技術驗證達到標準，國內下游需求大幅增加：技術驗證達到標準，國內下游需求大幅增加 核心受益標的：國內硅片相關企業核心受益標的：國內硅片相關企業 22 5G/IoT/AI5G/IoT/AI等新技術驅動半導體行業發展，根據等新技術驅動半導體行業發展，根據SEMISEMI數據，數據，2020

47、2020- -20212021年全球半導體設備將進入新一輪增長周期。年全球半導體設備將進入新一輪增長周期。 半導體設備在新技術驅動下同步增長：新技術導入半導體設備在新技術驅動下同步增長：新技術導入 新一代半導體工藝新一代半導體工藝 新一代半導體設備需求新一代半導體設備需求。 至至20202020年，全球半導體設備銷售額預計將達年，全球半導體設備銷售額預計將達600600億美元，約億美元，約40004000億元人民幣。億元人民幣。根據SEMI研究數據，我們認為，半導體設備市場 增長主要受益于三點：（1）新一代芯片制程工藝提升半導體設備的價格和數量。（2） 5G/IoT/AI等新應用帶來芯片制造商

48、擴 產需求。（3）中國半導體芯片自主可控趨勢下，中國半導體Fab大規模擴產時對半導體設備的增量需求。 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 全球半導體設備市場規模同比增長率 資料來源：SEMI、華西證券研究所 家電

49、個人電腦 筆記本電腦 智能手機、平板 5G/AI/IoT 5G/IoT/AI5G/IoT/AI技術升級：技術升級：20202020年全球半導體設備市場年全球半導體設備市場600600億美元億美元 全球半導體設備銷售額（全球半導體設備銷售額（19871987- -20212021） 單位：億美元 23 中國大陸推動產業鏈自主可控，半導體設備、材料迎來機遇中國大陸推動產業鏈自主可控，半導體設備、材料迎來機遇 資料來源：前瞻產業研究院、華西證券研究所資料來源：SEMI、華西證券研究所 中國大陸作為全球半導體制造中心將持續至少中國大陸作為全球半導體制造中心將持續至少1010年，中國芯片制造需求疊加產業鏈自主可控，為材料設備提供發展機會。年，中國芯片制造需求疊加產業鏈自主可控，為材料設備提供發展機會。 半導體產業轉移，推動國內半導體產業發展半導體產業轉移，推動國內半導體產業發展。全球半導體三次轉移過程如下:(1)美國轉至日本：在日本成就了世界級半導體 材料企業，直至今日壟斷全球半導體材料供應；(2