2018年半导体硅片行业深度研究报告

太阳能发电
光学存储、激光打印机、医疗、军事应用 信号灯、视频显示、微型灯泡、移动电话 分析仪器、火焰检测、臭氧检测 通讯基站、永远性内存、电子开关、导弹
GaN：主要应用于光电器件和微波通信器件；
SiC：主要应用于功率器件
资料来源：安信证ห้องสมุดไป่ตู้研究中心整理
资料来源：《半导体材料的发展现状及趋势》
三代半导体基础材料
GaAs
各种微波管
激光管 红外发光管 霍尔元件
雷达、微波通讯、电视、移动通讯
光纤通讯 小功率红外光源 磁场控制 激光通讯 高速计算机、移动通讯
Si：主要应用于集成电路的晶圆片和功率器 件； GaAs：主要应用于大功率发光电子器件和射 频器件；
GaN
激光调制器 高速集成电路
太阳能电池
激光器件 发光二极管 紫外探测器 集成电路
三代材料各具特色，三分天下
RF Power 10W 100W
1 GHz
10 GHz Frequency 未来趋势： 三分天下
电镜下硅片上的SiO2薄膜
铝, 8.07
硅, 27.7
资料来源：地球地壳中的化学元素丰度
资料来源：《液相法沉积法制备的二氧化硅薄膜及其钝化性能》
三代半导体基础材料
第二代半导体材料
随着科技的发展，人们开始追求传输速度更 快、功能更多的半导体材料，20世纪90年 代，第二代半导体材料——化合物半导体材 料开始得到应用。其中，代表材料为砷化镓 （GaAs）和磷化铟（InP）。 其中技术最成熟的是砷化镓。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，可用于高性能微波、毫米波器件等。 GaAs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用。 此外，GaAs制作器件的抗电辐射能力强，工 作温度范围宽，能够适应恶劣的工作条件， 提高器件的可靠性。 磷化铟的主要特点是电子极限漂移速度高、 耐辐射性能好、导热性好等。相对于GaAs， 它的击穿电场、热导率、电子平均速度都更 高。InP制造的器件能够放大更高频率或更 短波长的信号，可应用于光通讯和卫星通讯 等。
硅材料的优点
在20世纪40-50年代，人们主要选择锗作为半导体材 料，但随后被硅取代，硅的主要优势有： (1)硅的储量丰富：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%； (2)更高的熔化温度：硅具有更高的熔点以适应高温加 工，硅的熔点为1414℃，而锗为938℃； (3)更宽的工作温度范围：硅的禁带宽度大于锗，为 1.12eV，而锗为0.66eV。这使得硅可以在更宽的温度 范围内工作，提升半导体器件工作的可靠性和稳定 性。
11 10
2.9 3.1
3.3
0.9
3.75 3 0.5 0.01
开关损耗
GaN
Si 能带类型 间接 0.3 1200
GaAs 直接 0.6 6500
SiC 间接 3 800
临界击穿场 强（MV/cm）
电子迁移率 （������������2 /������•s） 饱和电子漂 移速度V*107 （cm/s）
２０１８年半导体硅片行业深度研究报告
目录
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2 3 4 5 6 • 三代半导体基础材料 • 硅片：半导体产业链基石 • 硅片及其相关设备需求持续走高 • 硅片尺寸增加大势所趋 • 突破外商垄断，国产替代之路开启 • 相关公司
三代半导体基础材料
半导体材料发展历程 各代代表性材料主要应用
材料 Si 制作器件 二极管、晶体管 集成电路 整流器 晶闸管 射线探测器 太阳能电池 主要用途 通讯、雷达、广播、自动控制 计算机、通讯、广播、自动控制、电子钟表、 仪表 整流 整流、直流输配电、电气机车、设备自控、 高频振荡器 原子能分析、光量子检测 太阳能发电
GaAs制备流程
资料来源：安信证券研究中心整理
三代半导体基础材料
第三代半导体材料
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各代半导体材料性能对比
单位：倍数（以Si为基准） 10 8 6 4 2 0 禁带宽度 热导率 击穿场强 最高工作温度 Si SiC
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），主要包括碳化硅（SiC）、 氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、金刚石、 氮化铝（AlN），其中比较成熟的是碳化硅和 氮化镓，被称为第三代半导体材料的双雄，而 氧化锌、金刚石、氮化铝的研究还处于起步阶 段。 第三代半导体材料的主要优点包括禁带宽度 大、击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高 及抗辐射能力强等。第三代半导体材料还有较 高的光发射效率和光子发射频率，可用于发光 二极管、激光器件等。此外，第三代半导体材 料可以在强离子辐射场和极端温度条件下工 作。 GaAs、InP等第二代半导体材料原料稀缺，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。而第三代半 导体材料的代表材料SiC、GaN等，则在半导体 材料中加入有机材料，既能满足产品需求，又 能减少环境污染。
地壳元素丰度
钠, 2.75 铁, 5.05 钙, 3.65 氧, 46.7 钾, 2.58 其他, 1.42 镁, 2.08
硅材料的优点
(4)二氧化硅的自然生成： 在自然条件下，硅片表面会生长一层二氧化硅 （ SiO2 ）， 这层氧化层对后续半导体制备具 有重要意义，主要有： ①作为天然钝化层，保护硅的表面，防止外部 环境污染； ②SiO2作为绝缘体，可以有效抑制相邻半导体 的漏电现象 ； ③抑制硅片在后续高温制程中产生过度的弯曲 或翘曲现象。
1.0
2.0
2.0
资料来源：半导体行业观察
三代半导体基础材料
各代半导体材料特点
第一代：以硅（ Si ）、锗（ Ge ）为代表的单质半导 体 （1）提纯与结晶方便。 （2）耐高温与抗辐射性能好。 第二代：以砷化镓（ GaAs ）、磷化铟（ InP ）等为 代表的化合物半导体 （1 ）相比第一代半导体材料具有：电子迁移率高， 直接带隙、禁带宽度大的属性，从而有光电特性优越、 电流传导更快等优点。因此可作为非常良好的光电器 件和射频器件材料。 （2）2005~2009年手机的普及和之后通信网络的升级 带动了GaAs的功率放大器等器件稳定增长。