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
涂改液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
散堆填料>纤维素水解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，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、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
万能倒角机
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。
颗粒冷却塔⽇本在 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、。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 1
20 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 英⼨晶圆需求结构船舶智能焊接技术
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
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。
化合物半导体外延⼚商竞争⼒
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
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