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2017 年中国半导体消费额 1315 亿美元，占全球32%，已成为全球最大市场，但芯片自给率仅 14%，具有较大追赶空间。值得一得的是，晶圆需求全球化合物半导体 IDM 呈现三寡头格局，Skyworks、 Qorvo、Broadcom 在砷化镓领域分别占据 30.7%、28%、7.4%市场份额。化合物半导体晶圆代工领域稳懋占比 66%，为绝对龙头。本期智芯研报带大家从晶圆应用看自主可控。

一、半导体晶圆概述

▌1. 从半导体晶圆材料说起：硅与化合物半导体

晶圆（wafer）是制造半导体器件的基础性原材料。极高纯度的半导体经过拉晶、切片等工序制备成为晶圆，晶圆经过一系列半导体制造工艺形成极微小的电路结构，再经切割、封装、测试成为芯片，广泛应用到各类电子设备当中。晶圆材料经历了 60 余年的技术演进和产业发展，形成了当今以硅为主、新型半导体材料为补充的产业局面。

20 世纪 50 年代，锗（Ge）是最早采用的半导体材料，最先用于分立器件中。集成电路的产生是半导体产业向前迈进的重要一步，1958 年 7 月，在德克萨斯州达拉斯市的德州仪器公司，杰克·基尔比制造的第一块集成电路是采用一片锗半导体材料作为衬底制造的。但是锗器件的耐高温和抗辐射性能存在短板，到 60 年代后期逐渐被硅（Si）器件取代。硅储量极其丰富，提纯与结晶工艺成熟，并且氧化形成的二氧化硅（SiO2）薄膜绝缘性能好，使得器件的稳定性与可靠性大为提高，因而硅已经成为应用最广的一种半导体材料。

半导体器件产值来看，全球 95%以上的半导体器件和 99%以上的集成电路采用硅作为衬底材料。2017 年全球半导体市场规模约 4122 亿美元，而化合物半导体市场规模约 200亿美元，占比 5%以内。从晶圆衬底市场规模看，2017 年硅衬底年销售额 87 亿美元，GaAs衬底年销售额约 8 亿美元。GaN衬底年销售额约 1 亿美元，SiC 衬底年销售额约 3 亿美元。硅衬底销售额占比达 85%+。在 21 世纪，它的主导和核心地位仍不会动摇。但是 Si 材料的物理性质限制了其在光电子和高频、高功率器件上的应用。

20 世纪 90 年代以来，以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）为代表的第二代半导体材料开始崭露头脚。GaAs、InP 等材料适用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料，广泛应用于卫星通讯、移动通讯、光通信、GPS 导航等领域。但是 GaAs、InP材料资源稀缺，价格昂贵，并且还有毒性，能污染环境，InP 甚至被认为是可疑致癌物质，这些缺点使得第二代半导体材料的应用具有很大的局限性。

第三代半导体材料主要包括 SiC、GaN 等，因其禁带宽度（Eg）大于或等于 2.3 电子伏特（eV），又被称为宽禁带半导体材料。和第一代、第二代半导体材料相比，第三代半导体材料具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高键合能等优点，可以满足现代电子技术对高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等恶劣条件的新要求，是半导体材料领域最有前景的材料，在国防、航空、航天、石油勘探、光存储等领域有着重要应用前景，在宽带通讯、太阳能、汽车制造、半导体照明、智能电网等众多战略行业可以降低 50%以上的能量损失，最高可以使装备体积减小 75%以上，对人类科技的发展具有里程碑的意义。

化合物半导体是指两种或两种以上元素形成的半导体材料，第二代、第三代半导体多属于这一类。按照元素数量可以分为二元化合物、三元化合物、四元化合物等等，二元化合物半导体按照组成元素在化学元素周期表中的位置还可分为 III-V 族、IV-IV 族、II-VI族等。以砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）为代表的化合物半导体材料已经成为继硅之后发展最快、应用最广、产量最大的半导体材料。化合物半导体材料具有优越的性能和能带结构：（1）高电子迁移率；（2）高频率特性；（3）宽幅频宽；（4）高线性度；（5）高功率；（6）材料选择多元性；（7）抗辐射。因而化合物半导体多用于射频器件、光电器件、功率器件等制造，具有很大发展潜力；硅器件则多用于逻辑器件、存储器等，相互之间具有不可替代性。

▌2. 晶圆制备：衬底与外延工艺

晶圆制备包括衬底制备和外延工艺两大环节。衬底（substrate）是由半导体单晶材料制造而成的晶圆片，衬底可以直接进入晶圆制造环节生产半导体器件，也可以进行外延工艺加工生产外延片。外延（epitaxy）是指在单晶衬底上生长一层新单晶的过程，新单晶可以与衬底为同一材料，也可以是不同材料。外延可以生产种类更多的材料，使得器件设计有了更多选择。

衬底制备的基本步骤如下：半导体多晶材料首先经过提纯、掺杂和拉制等工序制得单晶材料，以硅为例，硅砂首先提炼还原为纯度约 98%的冶金级粗硅，再经多次提纯，得到电子级高纯度多晶硅（纯度达99.9999999%以上，9~11 个 9），经过熔炉拉制得到单晶硅棒。单晶材料经过机械加工、化学处理、表面抛光和质量检测，获得符合一定标准（厚度、晶向、平整度、平行度和损伤层）的单晶抛光薄片。抛光目的是进一步去除加工表面残留的损伤层，抛光片可直接用于制作器件，也可作为外延的衬底材料。

外延生长工艺目前业界主要包括 MOCVD（化学气相沉淀）技术以及 MBE（分子束外延）技术两种。例如，全新光电采用 MOCVD，英特磊采用 MBE 技术。相比之下，MOCVD技术生长速率更快，更适合产业化大规模生产，而 MBE 技术在部分情况如 PHEMT 结构、 Sb 化合物半导体的生产中更适合采用。HVPE（氢化物气相外延）技术主要应用于 GaN 衬底生产。LPE（液相沉积）技术主要用于硅晶圆，目前已基本被气相沉积技术所取代。

▌3. 晶圆尺寸：技术发展进程不一

硅晶圆尺寸最大达 12 寸，化合物半导体晶圆尺寸最大为 6 英寸。硅晶圆衬底主流尺寸为 12 英寸，约占全球硅晶圆产能 65%，8 寸也是常用的成熟制程晶圆，全球产能占比 25%。 GaAs 衬底主流尺寸为 4英寸及 6 英寸；SiC 衬底主流供应尺寸为 2 英寸及 4 英寸；GaN 自支撑衬底以 2 英寸为主。

SiC 衬底目前尺寸已达 6 英寸，8 英寸正在研发（II-VI公司已制造出样品）。而实际上主流采用的仍为 4 英寸晶圆。主要原因是（1）目前 6 英寸 SiC 晶圆大概是 4 英寸成本的 2.25倍，到2020 年大概为 2 倍，在成本缩减上并没有大的进步，并且更换设备机台需要额外的资本支出，6 英寸目前优势仅在生产效率上；（2）6英寸 SiC 晶圆相较于 4 英寸晶圆在品质上偏低，因而目前 6 英寸主要用于制造二极管，在较低质量晶圆上制造二极管比制造MOSFET 更为简单。

GaN 材料在自然界中缺少单晶材料，因而长期在蓝宝石、SiC、Si 等异质衬底上进行外延。现今通过氢化物气相外延(HVPE)、氨热法可以生产 2 英寸、3英寸、4 英寸的 GaN自支撑衬底。目前商业应用中仍以异质衬底上的 GaN 外延为主，GaN 自支撑衬底在激光器上具有最大应用，可获得更高的发光效率及发光品质。

二、硅：主流市场，细分领域需求旺盛

▌1.硅晶圆供给厂商格局：日厂把控，寡头格局稳定

日本厂商占据硅晶圆 50%以上市场份额。前五大厂商占据全球 90%以上份额。其中，日本信越化学占比 27%、日本 SUMCO 占比 26%，两家日本厂商份额合计 53%，超过一半，中国台湾环球晶圆于 2016 年 12 月晶圆产业低谷期间收购美国 SunEdison 半导体，由第六晋升第三名，占比 17%，德国 Siltronic 占比13%，韩国 SK Siltron（原 LG Siltron，2017年被 SK 集团收购）占比 9%，与前四大厂商不同，SK Siltron 仅供应韩国客户。此外还有法国 Soitec、中国台湾台胜科、合晶、嘉晶等企业，份额相对较小。

各大厂商供应晶圆类别与尺寸上有所不同，总体来看前三大厂商产品较为多样。前三大厂商能够供应 Si 退火片、SOI 晶片，其中仅日本信越能够供应 12 英寸 SOI 晶片。德国Siltronic、韩国 SK Siltron 不提供 SOI 晶片，SK Siltron 不供应 Si 退火片。而 Si 抛光片与Si 外延片各家尺寸基本没有差别。

近 15 年来日本厂商始终占据硅晶圆 50%以上市场份额。硅晶圆产能未发生明显区域性转移。根据 Gartner，2007 年硅晶圆市占率第一日本信越（32.5%）、第二日本 SUMCO （21.7%）、第三德国Siltronic（14.8%）；2002 年硅晶圆市占率第一日本信越（28.9%）、第二日本 SUMCO（23.3%）、第三德国 Siltronic（15.4%）。近期市场比较大的变动是 2016年 12 月台湾环球晶圆收购美国 SunEdison，从第六大晋升第三大厂商。但日本厂商始终占据 50%+份额。

日本在 fab 环节竞争力衰落而材料环节始终保持领先地位。

20世纪 80 年代中旬，日本半导体产业的世界份额曾经超过了 50%。日本在半导体材料领域的优势从上世纪延续而来，而晶圆制造竞争力明显减弱，半导体 fab 环节出现了明显的区域转移。究其原因，fab 环节离需求端较近，市场变动大；但硅晶圆同质化程度高，新进入玩家需要在客户有比较久的时间验证；且晶圆在晶圆代工中成本占比 10%以下，晶圆代工厂不愿为较小的价格差别冒险更换不成熟的产品。

▌2. 硅晶圆需求厂商格局：海外为主，国产厂商不乏亮点

IC 设计方面，巨头把控竞争壁垒较高，2018 年以来 AI 芯片成为新成长动力。高通、博通、联发科、苹果等厂商实力最强，大陆厂商海思崛起。随着科技发展引领终端产品升级， AI 芯片等创新应用对 IC 产品需求不断扩大，预计到 2020 年 AI 芯片市场规模将从2016 年约 6 亿美元升至 26 亿美元，CAGR 达 43.9%，目前国内外IC 设计厂商正积极布局 AI 芯片产业。英伟达是 AI 芯片市场领导者，AMD 与特斯拉正联合研发用于自动驾驶的 AI 芯片。对于国内厂商，华为海思于 2017 年 9 月率先推出麒麟970 AI 芯片，目前已成功搭载入 P20等机型；比特大陆发布的全球首款张量加速计算芯片 BM1680 已成功运用于比特币矿机；寒武纪的 1A 处理器、地平线的征程和旭日处理器也已崭露头角。

IC 设计面向终端、面向市场成为必然，国内厂商优势明显。IC 设计业以需求为导向，才能够更好服务于下游客户。海思、展锐等移动处理芯片、基带芯片厂商依靠近些年中国智能手机市场爆发迅速崛起，跻身世界 IC 设计十强，海思芯片已全面应用到华为智能手机当中，三星、小米等厂商亦采用了自研芯片，现今中国为全球最大的终端需求市场，因而国内IC 设计业有巨大发展优势。

代工制造方面，厂商 Capex 快速增长，三星、台积电等巨头领衔。从资本支出来看，目前全球先进制程芯片市场竞争激烈，全球排名前三的芯片制造商三星、英特尔、台积电的Capex 均达到百亿美元级别，2017 年分别为 440/120/108 亿美元，预计三星未来三年总Capex 接近 1100 亿美元，英特尔和台积电 2018 年 Capex 则预计分别达到 140 和120 亿美元，均有较大幅度的增长，利于巨头通过研发先进制程技术和扩张产线来占领市场。从工艺制程来看，台积电走在行业前列，目前已大规模生产 10nm 制程芯片，7nm 制程将于2018年量产；中国大陆最为领先的代工厂商中芯国际目前具备 28nm 制程量产能力，而台积电早于 2011 年已具备 28nm 量产能力，相比之下大陆厂商仍有较大差距。

封测方面，未来高端制造+封测融合趋势初显，大陆厂商与台厂技术差距缩小。封装测试技术目前已发展四代，在最高端技术上制造与封测已实现融合，其中台积电已建立起CoWoS 及 InFO 两大高阶封装生态系统，并计划通过从龙潭延伸至中科将 InFO 产能扩增一倍，以满足苹果 A12 芯片的需求。封测龙头日月光则掌握顶尖封装与微电子制造技术，率先量产 TSV/2.5D/3D 相关产品，并于 2018 年 3 月与日厂 TDK 合资成立日月旸电子扩大 SiP布局。由于封装技术门槛相对较低，目前大陆厂商正快速追赶，与全球领先厂商的技术差距正逐步缩小，大陆厂商已基本掌握 SiP、WLCSP、FOWLP 等先进技术，应用方面 FC、SiP等封装技术已实现量产。

新一轮区域转移面向中国大陆。尽管目前 IC 设计、制造、封测的顶级厂商主要位于美国、中国台湾。总体来看，半导体制造产业经历了美国——日本——韩台的发展历程：1950s，半导体产业起源于美国，1947 年晶体管诞生，1958 年集成电路诞生。1970s，半导体制造由美国向日本转移。DRAM 是日韩产业发展的重要切入点，80s 日本已在半导体产业处于领先地位。1990s，以 DRAM 为契机，产业转向韩国三星、海力士等厂商；晶圆代工环节则转向台湾，台积电、联电等厂商崛起。2010s，智能手机、移动互联网爆发，物联网、大数据、云计算、人工智能等产业快速成长。人口红利，需求转移或将带动制造转移，可以预见中国大陆已然成为新一轮区域转移的目的地。

▌3. 硅晶圆下游应用拆分：尺寸与制程双轮驱动技术进步

晶圆尺寸与工艺制程并行发展，每一制程阶段与晶圆尺寸相对应。（1）制程进步→晶体管缩小→晶体管密度成倍增加→性能提升。（2）晶圆尺寸增大→每片晶圆产出芯片数量更多→效率提升→成本降低。目前 6 吋、8 吋硅晶圆生产设备普遍折旧完毕，生产成本更低，主要生产 90nm 以上的成熟制程。部分制程在相邻尺寸的晶圆上都有产出。5nm 至 0.13μm则采用 12 英寸晶圆，其中 28nm 为分界区分了先进制程与成熟制程，主要原因是 28nm 以后引入 FinFET 等新设计、新工艺，晶圆制造难度大大提升。

晶圆需求总量来看，12 英寸 NAND 及 8 英寸市场为核心驱动力。存储用 12 寸硅晶圆占比达 35%为最大，8寸及 12 英寸逻辑次之。以产品销售额来看，全球集成电路产品中，存储器占比约 27.8%，逻辑电路占比 33%，微处理器芯片合模拟电路分别占 21.9%和 17.3%。根据我们预测，全球 2016 年下半年 12 寸硅晶圆需求约 510 万片/月，其中用于逻辑芯片的需求 130 万片/月，用于 DRAM 需求 120 万片/月，用于 NAND 需求 160 万片/月，包括 NORFlash、CIS 等其他需求 100 万片/月；8 寸硅晶圆需求 480 万片/月，按面积折算至 12 寸晶圆约213 万片/月，6 寸以下晶圆需求约当 12 寸 62 万片/月。由此估算，包括 NAND、DRAM在内用于存储市场的12 寸晶圆需求约占总需求 35%，8 寸晶圆需求约占总需求 27%，用于逻辑芯片的 12 寸晶圆需求约占 17%。需求上看，目前存储器贡献晶圆需求最多，8 寸中低端应用其次。

下游具体应用来看，12 英寸 20nm 以下先进制程性能强劲，主要用于移动设备、高性能计算等领域，包括智能手机主芯片、计算机 CPU、GPU、高性能 FPGA、ASIC 等。 14nm-32nm 先进制程应用于包括 DRAM、NAND Flash 存储芯片、中低端处理器芯片、影像处理器、数字电视机顶盒等应用。12 英寸 45-90nm 的成熟制程主要用于性能需求略低，对成本和生产效率要求高的领域，例如手机基带、WiFi、GPS、蓝牙、NFC、ZigBee、NOR Flash 芯片、MCU等。12 英寸或 8 英寸 90nm 至 0.15μm 主要应用于MCU、指纹识别芯片、影像传感器、电源管理芯片、液晶驱动 IC 等。8 英寸 0.18μm-0.25μm 主要有非易失性存储如银行卡、sim 卡等，0.35μm 以上主要为MOSFET、IGBT 等功率器件。

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