不止硅片，关于半导体晶圆的最全介绍

来源：内容来自「中信证券徐涛、胡叶倩雯与晏磊」，谢谢。

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。

半导体晶圆材料的基本框架

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。

半导体产业链流程

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。

半导体市场份额（按材料）

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。

晶圆材料性质比较

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。

化合物半导体材料

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。

衬底制备的基本步骤

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。

外延晶圆片结构示意图

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。

MBE 与 MOCVD 技术对比

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。

衬底晶圆材料对应尺寸

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。

外延生长对应 wafer 尺寸

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。

不同晶圆尺寸发展历程

硅： 主流市场， 细分领域需求旺盛

从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。

硅晶圆供应商竞争力

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。

硅晶圆供应商近 15 年份额变化

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。

全球 IC 设计厂商 2017 年排名

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。

全球晶圆纯代工（Pure-Play）厂商 2016 年排名

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。

全球半导体封装厂商 2017 年排名

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。

全球半导体产业美-日-韩区域转移历史

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。

硅晶圆尺寸与制程对应

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。

12 英寸、 8 英寸、 6 英寸晶圆需求结构

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。

8 英寸晶圆需求结构

晶圆尺寸对应产品类型

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。

制程-尺寸对应下游应用需求拆分

化合物半导体： 5G、 3D 感测、电动汽车的关键性材料

化合物半导体晶圆供给厂商格局：日美德主导，寡占格局。

衬底市场： 高技术门槛导致化合物半导体衬底市场寡占，日本、美国、德国厂商主导。GaAs 衬底目前已日本住友电工、德国 Freiberg、美国 AXT、日本住友化学四家占据，四家份额超 90%。住友化学于 2011 年收购日立电缆（日立金属）的化合物半导体业务，并于 2016年划至子公司 Sciocs。 GaN 自支撑衬底目前主要由日本三家企业住友电工、三菱化学、住友化学垄断，占比合计超 85%。 SiC 衬底龙头为美国 Cree（Wolfspeed 部门），市场占比超三分之一，其次为德国 SiCrystal、美国 II-VI、美国 Dow Corning，四家合计份额超 90%。近几年中国也出现了具备一定量产能力的 SiC 衬底制造商，如天科合达蓝光。

化合物半导体供应商竞争力

外延生长市场中，英国 IQE 市场占比超 60%为绝对龙头。 英国 IQE 及中国台湾全新光电两家份额合计达 80%。 外延生长主要包括 MOCVD（化学气相沉淀）技术以及 MBE（分子束外延）技术两种。例如， IQE、 全新光电均采用 MOCVD，英特磊采用 MBE 技术。 HVPE（氢化物气相外延）技术主要应用于 GaN 衬底的生产。

化合物半导体晶圆需求厂商格局： IDM 与代工大厂并存

化合物半导体产业链呈现寡头竞争格局。 IDM 类厂商包括 Skyworks、 Broadcom（Avago）、 Qorvo、 Anadigics 等。 2016 年全球化合物半导体 IDM 呈现三寡头格局， 2016年 IDM 厂商 Skyworks、 Qorvo、 Broadcom 在砷化镓领域分别占据 30.7%、 28%、 7.4%市场份额。产业链呈现多模式整合态势，设计公司去晶圆化及 IDM 产能外包成为必然趋势。

全球砷化镓元件（含 IDM）产值分布

化合物半导体晶圆代工领域稳懋为第一大厂商，占比 66%，为绝对龙头。 第二、第三为宏捷科技 AWSC、 环宇科技 GCS，占比分别为 12%、 9%。国内设计推动代工， 大陆化合物半导体代工龙头呼之欲出。 目前国内 PA 设计已经涌现了锐迪科 RDA、 唯捷创芯 vanchip、汉天下、 飞骧科技等公司。

全球砷化镓代工市占率

国内化合物半导体设计厂商目前已经占领 2G/3G/4G/WiFi 等消费电子市场中的低端应用。 三安光电目前以 LED 应用为主，有望在化合物半导体代工填补国内空白，其募投产线建设顺利，有望 2018 年年底实现4000-6000 片/月产能，成为大陆第一家规模量产 GaAs/GaN 化合物晶圆代工企业。

化合物半导体晶圆下游应用拆分：性能独特，自成体系

化合物半导体下游具体应用主要可分为两大类：光学器件和电子设备。 光学器件包括LED 发光二极管、 LD 激光二极管、 PD 光接收器等。 电子器件包括 PA 功率放大器、 LNA低噪声放大器、射频开关、数模转换、微波单片 IC、功率半导体器件、霍尔元件等。 对于GaAs 材料而言， SC GaAs（单晶砷化镓） 主要应用于光学器件， SI GaAs（半绝缘砷化镓）

主要应用于电子器件。

化合物半导体晶圆对应下游应用

光学器件中， LED 为占比最大一项， LD/PD、 VCSEL 成长空间大。 Cree 大约 70%收入来自 LED，其余来自功率、射频、 SiC 晶圆。 SiC 衬底 80%的市场来自二极管，在所有宽禁带半导体衬底中， SiC 材料是最为成熟的。不同化合物半导体材料制造的 LED 对应不同波长光线： GaAs LED 发红光、绿光， GaP 发绿光， SiC 发黄光， GaN 发蓝光，应用 GaN蓝光 LED 激发黄色荧光材料可以制造白光 LED。此外 GaAs 可制造红外光 LED，常见的应用于遥控器红外发射， GaN 则可以制造紫外光 LED。 GaAs、 GaN 分别制造的红光、蓝光激光发射器可以应用于 CD、 DVD、蓝光光盘的读取。

各种材料工艺对应输出功率及频率

电子器件中，主要为射频和功率应用。 GaN on SiC、 GaN 自支撑衬底、 GaAs 衬底、GaAs on Si 主要应用于射频半导体（射频前端 PA 等）； 而 GaN on Si 以及 SiC 衬底主要应用于功率半导体（汽车电子等）。

GaN 与 SiC 功率器件应用范围对比

GaN 由于功率密度高，在基站大功率器件领域具有独特优势。 相对于硅衬底来说， SiC衬底具有更好的热传导特性，目前业界超过 95%的 GaN 射频器件采用 SiC 衬底，如 Qorvo采用的正是基于 SiC 衬底的工艺，而硅基 GaN 器件可在 8 英寸晶圆制造，更具成本优势。在功率半导体领域， SiC 衬底与 GaN on Silicon 只在很小一部分领域有竞争。 GaN 市场大多是低压领域，而 SiC 在高压领域应用。 它们的边界大约是 600V。

下游主要应用分析：从制程材料看芯片国产化程度

（1）智能手机： IC 设计率先追赶，代工、材料尚待突破。

智能手机核心芯片涉及先进制程及化合物半导体材料， 国产率低。 以目前国产化芯片已采用较多的华为手机为例可大致看出国产芯片的“上限” 。

CPU 目前华为海思可以独立设计，此外还包括小米松果等 fabless 设计公司， 但由于采用 12 英寸最先进制程，制造主要依赖中国台湾企业； DRAM、 NAND 闪存国内尚无相关公司量产；前端 LTE 模块、 WiFi 蓝牙模块采用了 GaAs 材料， 产能集中于 Skyworks、 Qorvo 等美国 IDM 企业以及稳懋等中国台湾代工厂，中国大陆尚无砷化镓代工厂商；射频收发模块、 PMIC、音频 IC 可做到海思设计+foundry 代工，而充电控制 IC、 NFC 控制 IC 以及气压、陀螺仪等传感器主要由欧美 IDM厂商提供。总体来看智能手机核心芯片国产率仍低，部分芯片如 DRAM、 NAND、射频模块等国产化几乎为零。

以主流旗舰手机 iPhone X 为例可以大致看出中国大陆芯片厂商在全球供应链中的地位。 CPU 采用苹果自主设计+台积电先进制程代工， DRAM、 NAND 来自韩国/日本/美国 IDM厂商；基带来自高通设计+台积电先进制程代工；射频模块采用砷化镓材料，来自 Skyworks、Qorvo 等 IDM 厂商或博通+稳懋代工；模拟芯片、音频 IC、 NFC 芯片、触控 IC、影像传感器等均来自中国大陆以外企业，中国大陆芯片在苹果供应链中占比为零。而除芯片、屏幕以外的零部件大多有中国大陆供应商打入，甚至部分由大陆厂商独占。由此可见中国大陆芯片企业在全球范围内竞争力仍低。

智能手机内部芯片对应工艺- iPhone X

（2）通信基站： 大功率射频芯片对美依赖性极高

通信基站对国外芯片依赖程度极高，且以美国芯片企业为主。 目前基站系统主要由基带处理单元（BBU）及射频拉远单元（RRU）两部分组成， 通常一台 BBU 对应多台 RRU 设备。 相比之下， RRU 芯片的国产化程度更低，对于国外依赖程度高。

基站 BBU+RRU 系统示意图

这其中主要难点体现在 RRU 芯片器件涉及大功率射频场景，通常采用砷化镓或氮化镓材料，而中国大陆缺乏相应产业链。

RRU 内部芯片门槛最高

美国厂商垄断大功率射频器件。 具体来看， 目前 RRU 设备中的 PA、 LNA、 DSA、 VGA等芯片主要采用砷化镓或氮化镓工艺，来自 Qorvo、 Skyworks 等公司，其中氮化镓器件通常为碳化硅衬底，即 GaN on SiC。 RF 收发器、数模转换器采用硅基及砷化镓工艺，主要厂商包括 TI、 ADI、 IDT 等公司。以上厂商均为美国公司，因而通信基站芯片对美国厂商依赖性极高。

基站通信设备主要芯片

（3）汽车电子： 产业技术日趋成熟， 部分已实现国产化

汽车电子对于半导体器件需求以 MCU、 NOR Flash、 IGBT 等为主。 传统汽车内部主要以 MCU 需求较高，包括动力控制、安全控制、发动机控制、底盘控制、车载电器等多方面。新能源汽车还包括电子控制单元 ECU、功率控制单元 PCU、电动汽车整车控制单元 VCU、混合动力汽车整车控制器 HCU、电池管理系统 BMS 以及逆变器核心部件 IGBT 元件。

传统汽车内部芯片

此外在以上相关系统以及紧急刹车系统、胎压检测器、安全气囊系统等还需应用 NOR Flash 作为代码存储。 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，国内已基本实现量产。

汽车内部芯片

智能驾驶所采用半导体器件包括高性能计算芯片及 ADAS 系统。 高性能计算芯片目前采用 12 英寸先进制程，而 ADAS 系统中的毫米波雷达则涉及砷化镓材料，目前国内尚无法量产。

（4）AI 与矿机芯片： 成长新动力，国内设计厂商实现突破

AI 芯片与矿机芯片属于高性能计算，对于先进制程要求较高。 在 AI 及区块链场景下，传统 CPU 算力不足，新架构芯片成为发展趋势。当前主要有延续传统架构的 GPU、 FPGA、ASIC（TPU、 NPU 等）芯片路径， 以及彻底颠覆传统计算架构，采用模拟人脑神经元结构来提升计算能力的芯片路径。 云端领域 GPU 生态领先，而终端场景专用化是未来趋势。

AI 核心芯片简要梳理

根据 NVIDIA 与 AMD 公布的技术路线图， 2018 年 GPU 将进入 12nm/7nm 制程。 而目前 AI、矿机相关的 FPGA 及 ASIC 芯片也均采用了 10~28nm 的先进制程。国内厂商涌现了寒武纪、深鉴科技、地平线、比特大陆等优秀的 IC 设计厂商率先实现突破，而制造则主要依靠台积电等先进制程代工厂商。

主流矿机芯片对比

前景展望：部分领域有望率先突破，更多参与全球分工

现阶段国产化程度低， 半导体产业实际依靠全球合作。 尽管我国半导体产业目前正处于快速发展阶段，但总体来看存在总体产能较低， 全球市场竞争力弱，核心芯片领域国产化程度低， 对国外依赖程度较高等现状。 我国半导体产业链在材料、设备、制造、设计等多个高端领域对国外高度依赖，实现半导体产业自主替代需经历较漫长道路。

当前中国核心集成电路国产芯片占有率

根据 IC Insight 数据显示， 2015 年我国集成电路企业在全球市场份额仅有 3%，而美国、韩国、日本分别高达54%/20%/8%。 事实上，即便是美国、 韩国、 日本也无法达到半导体产业链 100%自产。例如在先进制程制造的核心设备光刻机方面依然依赖荷兰 ASML 一家企业。更多参与全球分工，在此过程中逐渐提升国产化占比，是一条切实可行的半导体产业发展道路。

中国大陆芯片下游需求端终端市场全备，供给端有望向中国大陆倾斜。 （1） 需求端：下游终端应用市场全备，规模条件逐步成熟。随着全球终端产品产能向中国转移，中国已经成为全球终端产品制造基地， 2017 年中国汽车、智能手机出货量占全球比重分别达 29.8%、33.6%。芯片需求全面涵盖硅基、化合物半导体市场，芯片市场空间巨大。（2）供给端：当前中国大陆产值规模居前的 IC 设计、晶圆代工、存储厂商寥寥数计，技术水平尚未达到领先水平，中高端芯片制造、化合物半导体芯片严重依赖进口。随着近些年终端需求随智能手机等产业链而逐渐转移至中国大陆，需求转移或拉动制造转移，下游芯片供给端随之开始转移至大陆。

国内政策加速半导体行业发展。 近年来我国集成电路扶持政策密集颁布， 融资、税收、补贴等政策环境不断优化。 尤其是 2014 年 6 月出台的《国家集成电路产业发展推进纲要》 ，定调“设计为龙头、制造为基础、装备和材料为支撑”，以 2015、 2020、 2030 为成长周期全力推进我国集成电路产业的发展：目标到 2015 年，集成电路产业销售收入超过 3500 亿元；到 2020 年，集成电路产业销售收入年均增速超过 20%； 到 2030 年，集成电路产业链主要环节达到国际先进水平，一批企业进入国际第一梯队，实现跨越发展。

半导体器件基础知识解析

半导体器件是导电性介于良导电体与绝缘体之间，利用半导体材料特殊电特性来完成特定功能的电子器件，可用来产生、控制、接收、变换、放大信 号和进行能量转换。

半导体器件的半导体材料是硅、锗或砷化镓，可用作整流器、振荡器、发光器、放大器、测光器等器材。为了与集成电路相区别，有时也称为分立器件。绝大部分二端器件（即晶体二极管）的基本结构是一个PN结。

半导体器件（semiconductor device）通常利用不同的半导体材料、采用不同的工艺和几何结构，已研制出种类繁多、功能用途各异的多种晶体二极，晶体二极管的频率覆盖范围可从低频、高频、微波、毫米波、红外直至光波。三端器件一 般是有源器件，典型代表是各种晶体管（又称晶体三极管）。晶体管又可以分为双极型晶体管和场效应晶体管两 类。根据用途的不同，晶体管可分为功率晶体管微波晶体管和低噪声晶体管。除了作为放大、振荡、开关用的 一般晶体管外，还有一些特殊用途的晶体管，如光晶体管、磁敏晶体管，场效应传感器等。这些器件既能把一些 环境因素的信息转换为电信号，又有一般晶体管的放大作用得到较大的输出信号。

此外，还有一些特殊器件，如单结晶体管可用于产生锯齿波，可控硅可用于各种大电流的控制电路，电荷耦合器件可用作摄橡器件或信息存 储器件等。在通信和雷达等军事装备中，主要靠高灵敏度、低噪声的半导体接收器件接收微弱信号。随着微波 通信技术的迅速发展，微波半导件低噪声器件发展很快，工作频率不断提高，而噪声系数不断下降。微波半导体 器件由于性能优异、体积小、重量轻和功耗低等特性，在防空反导、电子战等系统中已得到广泛的应用 。

分类

晶体二极管

晶体二极管的基本结构是由一块 P型半导体和一块N型半导体结合在一起形成一个 PN结。在PN结的交界面处，由于P型半导体中的空穴和N型半导体中的电子要相互向对方扩散而形成一个具有空间电荷的偶极层。这偶极层阻止了空穴和电子的继续扩散而使PN结达到平衡状态。当PN结的P端（P型半导体那边）接电源的正极而另一端接负极时，空穴和电子都向偶极层流动而使偶极层变薄，电流很快上升。如果把电源的方向反过来接，则空穴和电子都背离偶极层流动而使偶极层变厚，同时电流被限制在一个很小的饱和值内（称反向饱和电流）。因此，PN结具有单向导电性。

此外，PN结的偶极层还起一个电容的作用，这电容随着外加电压的变化而变化。在偶极层内部电场很强。当外加反向电压达到一定阈值时，偶极层内部会发生雪崩击穿而使电流突然增加几个数量级。利用PN结的这些特性在各种应用领域内制成的二极管有：整流二极管、检波二极管、变频二极管、变容二极管、开关二极管、稳压二极管（曾讷二极管）、崩越二极管（碰撞雪崩渡越二极管）和俘越二极管（俘获等离子体雪崩渡越时间二极管）等。此外，还有利用PN结特殊效应的隧道二极管，以及没有PN结的肖脱基二极管和耿氏二极管等。

双极型晶体管

它是由两个PN结构成，其中一个PN结称为发射结，另一个称为集电结。两个结之间的一薄层半导体材料称为基区。接在发射结一端和集电结一端的两个电极分别称为发射极和集电极。接在基区上的电极称为基极。在应用时，发射结处于正向偏置，集电极处于反向偏置。通过发射结的电流使大量的少数载流子注入到基区里，这些少数载流子靠扩散迁移到集电结而形成集电极电流，只有极少量的少数载流子在基区内复合而形成基极电流。集电极电流与基极电流之比称为共发射极电流放大系数。在共发射极电路中，微小的基极电流变化可以控制很大的集电极电流变化，这就是双极型晶体管的电流放大效应。双极型晶体管可分为NPN型和PNP型两类。

场效应晶体管

它依靠一块薄层半导体受横向电场影响而改变其电阻（简称场效应），使具有放大信号的功能。这薄层半导体的两端接两个电极称为源和漏。控制横向电场的电极称为栅。

根据栅的结构，场效应晶体管可以分为三种：

①结型场效应管（用PN结构成栅极）；

②MOS场效应管（用金属-氧化物－半导体构成栅极，见金属－绝缘体－半导体系统）；

③MES场效应管（用金属与半导体接触构成栅极）；其中MOS场效应管使用最广泛。尤其在大规模集成电路的发展中，MOS大规模集成电路具有特殊的优越性。MES场效应管一般用在GaAs微波晶体管上。

在MOS器件的基础上，又发展出一种电荷耦合器件 （CCD），它是以半导体表面附近存储的电荷作为信息，控制表面附近的势阱使电荷在表面附近向某一方向转移。这种器件通常可以用作延迟线和存储器等；配上光电二极管列阵，可用作摄像管。

命名方法

中国半导体器件型号命名方法

半导体器件型号由五部分（场效应器件、半导体特殊器件、复合管、PIN型管、激光器件的型号命名只有第三、四、五部分）组成。五个部分意义如下：

第一部分：用数字表示半导体器件有效电极数目。2-二极管、3-三极管

第二部分：用汉语拼音字母表示半导体器件的材料和极性。表示二极管时：A-N型锗材料、B-P型锗材料、C-N型硅材料、D-P型硅材料。表示三极管时：A-PNP型锗材料、B-NPN型锗材料、C-PNP型硅材料、D-NPN型硅材料。

第三部分：用汉语拼音字母表示半导体器件的类型。P-普通管、V-微波管、W-稳压管、C-参量管、Z-整流管、L-整流堆、S-隧道管、N-阻尼管、U-光电器件、K-开关管、X-低频小功率管（F<3MHz,Pc3MHz,Pc<1W）、D-低频大功率管（f1W）、A-高频大功率管（f>3MHz,Pc>1W）、T-半导体晶闸管（可控整流器）、Y-体效应器件、B-雪崩管、J-阶跃恢复管、CS-场效应管、BT-半导体特殊器件、FH-复合管、PIN-PIN型管、JG-激光器件。

第四部分：用数字表示序号

第五部分：用汉语拼音字母表示规格号

例如：3DG18表示NPN型硅材料高频三极管

日本半导体分立器件型号命名方法

日本生产的半导体分立器件，由五至七部分组成。通常只用到前五个部分，其各部分的符号意义如下：

第一部分：用数字表示器件有效电极数目或类型。0-光电（即光敏）二极管三极管及上述器件的组合管、1-二极管、2三极或具有两个pn结的其他器件、3-具有四个有效电极或具有三个pn结的其他器件、┄┄依此类推。

第二部分：日本电子工业协会JEIA注册标志。S-表示已在日本电子工业协会JEIA注册登记的半导体分立器件。

第三部分：用字母表示器件使用材料极性和类型。A-PNP型高频管、B-PNP型低频管、C-NPN型高频管、D-NPN型低频管、F-P控制极可控硅、G-N控制极可控硅、H-N基极单结晶体管、J-P沟道场效应管、K-N 沟道场效应管、M-双向可控硅。

第四部分：用数字表示在日本电子工业协会JEIA登记的顺序号。两位以上的整数-从“11”开始，表示在日本电子工业协会JEIA登记的顺序号；不同公司的性能相同的器件可以使用同一顺序号；数字越大，越是产品。

第五部分： 用字母表示同一型号的改进型产品标志。A、B、C、D、E、F表示这一器件是原型号产品的改进产品。

美国半导体分立器件型号命名方法

美国晶体管或其他半导体器件的命名法较混乱。美国电子工业协会半导体分立器件命名方法如下：

第一部分：用符号表示器件用途的类型。JAN-军级、JANTX-特军级、JANTXV-超特军级、JANS-宇航级、（无）-非军用品。

第二部分：用数字表示pn结数目。1-二极管、2=三极管、3-三个pn结器件、n-n个pn结器件。

第三部分：美国电子工业协会（EIA）注册标志。N-该器件已在美国电子工业协会（EIA）注册登记。

第四部分：美国电子工业协会登记顺序号。多位数字-该器件在美国电子工业协会登记的顺序号。

第五部分：用字母表示器件分档。A、B、C、D、┄┄-同一型号器件的不同档别。如：JAN2N3251A表示PNP硅高频小功率开关三极管，JAN-军级、2-三极管、N-EIA 注册标志、3251-EIA登记顺序号、A-2N3251A档。

国际电子联合会半导体器件型号命名方法

德国、法国、意大利、荷兰、比利时等欧洲国家以及匈牙利、罗马尼亚、南斯拉夫、波兰等东欧国家，大都采用国际电子联合会半导体分立器件型号命名方法。这种命名方法由四个基本部分组成，各部分的符号及意义如下：

第一部分：用字母表示器件使用的材料。A-器件使用材料的禁带宽度Eg=0.6～1.0eV 如锗、B-器件使用材料的Eg=1.0～1.3eV 如硅、C-器件使用材料的Eg>1.3eV 如砷化镓、D-器件使用材料的Eg<0.6eV 如锑化铟、E-器件使用复合材料及光电池使用的材料

第二部分：用字母表示器件的类型及主要特征。A-检波开关混频二极管、B-变容二极管、C-低频小功率三极管、D-低频大功率三极管、E-隧道二极管、F-高频小功率三极管、G-复合器件及其他器件、H-磁敏二极管、K-开放磁路中的霍尔元件、L-高频大功率三极管、M-封闭磁路中的霍尔元件、P-光敏器件、Q-发光器件、R-小功率晶闸管、S-小功率开关管、T-大功率晶闸管、U-大功率开关管、X-倍增二极管、Y-整流二极管、Z-稳压二极管。

第三部分：用数字或字母加数字表示登记号。三位数字-代表通用半导体器件的登记序号、一个字母加二位数字-表示专用半导体器件的登记序号。

第四部分：用字母对同一类型号器件进行分档。A、B、C、D、E┄┄-表示同一型号的器件按某一参数进行分档的标志。

除四个基本部分外，有时还加后缀，以区别特性或进一步分类。常见后缀如下：

1、稳压二极管型号的后缀。其后缀的第一部分是一个字母，表示稳定电压值的容许误差范围，字母A、B、C、D、E分别表示容许误差为±1%、±2%、±5%、±10%、±15%；其后缀第二部分是数字，表示标称稳定电压的整数数值；后缀的第三部分是字母V，代表小数点，字母V之后的数字为稳压管标称稳定电压的小数值。

2、整流二极管后缀是数字，表示器件的最大反向峰值耐压值，单位是伏特。

3、晶闸管型号的后缀也是数字，通常标出最大反向峰值耐压值和最大反向关断电压中数值较小的那个电压值。

如：BDX51-表示NPN硅低频大功率三极管，AF239S-表示PNP锗高频小功率三极管。

集成电路

把晶体二极管、三极管以及电阻电容都制作在同一块硅芯片上，称为集成电路。一块硅芯片上集成的元件数小于 100个的称为小规模集成电路，从 100个元件到1000 个元件的称为中规模集成电路，从1000 个元件到100000 个元件的称为大规模集成电路，100000 个元件以上的称为超大规模集成电路。集成电路是当前发展计算机所必需的基础电子器件。许多工业先进国家都十分重视集成电路工业的发展。集成电路的集成度以每年增加一倍的速度在增长。每个芯片上集成256千位的MOS随机存储器已研制成功，正在向1兆位 MOS随机存储器探索。

光电器件

光电探测器

光电探测器的功能是把微弱的光信号转换成电信号，然后经过放大器将电信号放大，从而达到检测光信号的目的。光敏电阻是最早发展的一种光电探测器。它利用了半导体受光照后电阻变小的效应。此外，光电二极管、光电池都可以用作光电探测元件。十分微弱的光信号，可以用雪崩光电二极管来探测。它是把一个PN结偏置在接近雪崩的偏压下，微弱光信号所激发的少量载流子通过接近雪崩的强场区，由于碰撞电离而数量倍增，因而得到一个较大的电信号。除了光电探测器外，还有与它类似的用半导体制成的粒子探测器。

半导体发光二极管

半导体发光二极管的结构是一个PN结，它正向通电流时，注入的少数载流子靠复合而发光。它可以发出绿光、黄光、红光和红外线等。所用的材料有 GaP、GaAs、GaAs1-xPx、Ga1-xAlxAs、In1-xGaxAs1-yPy等。

半导体激光器

如果使高效率的半导体发光管的发光区处在一个光学谐振腔内，则可以得到激光输出。这种器件称为半导体激光器或注入式激光器。最早的半导体激光器所用的PN结是同质结，以后采用双异质结结构。双异质结激光器的优点在于它可以使注入的少数载流子被限制在很薄的一层有源区内复合发光，同时由双异质结结构组成的光导管又可以使产生的光子也被限制在这层有源区内。因此双异质结激光器有较低的阈值电流密度，可以在室温下连续工作。

光电池

当光线投射到一个PN结上时，由光激发的电子空穴对受到PN结附近的内在电场的作用而向相反方向分离，因此在PN结两端产生一个电动势，这就成为一个光电池。把日光转换成电能的日光电池很受人们重视。最先应用的日光电池都是用硅单晶制造的，成本太高，不能大量推广使用。国际上都在寻找成本低的日光电池，用的材料有多晶硅和无定形硅等。

其它

利用半导体的其他特性做成的器件还有热敏电阻、霍耳器件、压敏元件、气敏晶体管和表面波器件等。

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