20 世纪 50 时代，锗（Ge）是最早选用的半导体资料，最早用于分立器材中。集成电路的产生是半导体工业向前跨进的重要一步， 1958 年 7 月，在德克萨斯州达拉斯市的德州仪器公司，杰克·基尔比制作的榜首块集成电路是选用一片锗半导体资料作为衬造的。

  可是锗器材的耐高温和抗辐射功能存在短板，到 60 时代后期逐步被硅（Si） 器材代替。 硅储量极其丰富，提纯与结晶工艺老练， 而且氧化构成的二氧化硅（SiO2）薄膜绝缘功能好，使得器材的安稳性与可靠性大为前进， 因此硅现已成为使用最广的一种半导体资料。半导体器材产量来看，全球 95%以上的半导体器材和 99%以上的集成电路选用硅作为衬底资料。

  2017 年全球半导体商场规划约 4122 亿美元，而化合物半导体商场规划约 200亿美元，占比 5%以内。 从晶圆衬底商场规划看， 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，它的主导和中心方位仍不会不坚定。可是 Si 资料的物理性质约束了其在光电子和高频、 高功率器材上的使用。

  20 世纪 90 时代以来，以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）为代表的第二代半导体资料开端崭露头脚。 GaAs、 InP 等资料适用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器材，是制作高功能微波、毫米波器材及发光器材的优异资料，广泛使用于卫星通讯、移动通讯、光通讯、 GPS 导航等范畴。可是 GaAs、InP 资料资源稀缺，价格昂贵，而且还有毒性，能污染环境， InP 乃至被认为是可疑致癌物质，这些缺陷使得第二代半导体资料的使用具有很大的局限性。

  第三代半导体资料首要包含 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资料。 和榜首代、第二代半导体资料比较，第三代半导体资料具有高热导率、高击穿场强、高饱满电子漂移速率和高键合能等长处，能够满意现代电子技能对高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等恶劣条件的新要求，是半导体资料范畴最有远景的资料，在国防、航空、航天、石油勘探、光存储等范畴有着重要使用远景，在宽带通讯、太阳能、轿车制作、半导体照明、智能电网等很多战略职业能够下降 50%以上的能量丢失，最高能够使配备体积减小 75%以上，对人类科技的开展具有里程碑的含义。

  化合物半导体是指两种或两种以上元素构成的半导体资料， 第二代、第三代半导体多归于这一类。 依照元素数量能够分为二元化合物、三元化合物、四元化合物等等，二元化合物半导体依照组成元素在化学元素周期表中的方位还可分为 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资料现已成为继硅之后开展最快、使用最广、产量最大的半导体资料。 化合物半导体资料具有优胜的功能和能带结构：

  因此化合物半导体多用于射频器材、光电器材、功率器材等制作，具有很大开展潜力；硅器材则多用于逻辑器材、存储器等，相互之间具有不行代替性。

  晶圆制备包含衬备和外延工艺两大环节。衬底（substrate）是由半导体单晶资料制作而成的晶圆片，衬底能够直接进入晶圆制作环节出产半导体器材，也能够进行外延工艺加工出产外延片。外延（epitaxy）是指在单晶衬底上生长一层新单晶的进程，新单晶能够与衬底为同一资料，也能够是不同资料。 外延能够出产品种更多的资料，使得器材规划有了更多挑选。

  衬备的根本过程如下：半导体多晶资料首要经过提纯、掺杂和拉制等工序制得单晶资料，以硅为例，硅砂首要提炼还原为纯度约 98%的冶金级粗硅，再经屡次提纯，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。单晶资料经过机械加工、化学处理、 外表抛光和质量检测，取得契合必定规范（厚度、晶向、平整度、平行度和损害层）的单晶抛光薄片。 抛光意图是进一步去除加工外表残留的损害层，抛光片可直接用于制作器材，也可作为外延的衬底资料。

  硅晶圆尺度最大达 12 寸， 化合物半导体晶圆尺度最大为 6 英寸。 硅晶圆衬底干流尺度为 12 英寸，约占全球硅晶圆产能 65%， 8 寸也是常用的老练制程晶圆，全球产能占比 25%。GaAs 衬底干流尺度为 4 英寸及 6 英寸； SiC 衬底干流供应尺度为 2 英寸及 4 英寸； GaN 自支撑衬底以 2 英寸为主。

  SiC 衬底现在尺度已达 6 英寸， 8 英寸正在研制（II-VI 公司已制作出样品） 。而实践上干流选用的仍为 4 英寸晶圆。首要原因是（1）现在 6 英寸 SiC 晶圆大约是 4 英寸本钱的 2.25倍，到 2020 年大约为 2 倍，在本钱减缩上并没有大的前进，而且替换设备机台需求额定的本钱开销， 6 英寸现在优势仅在出产功率上；（2） 6 英寸 SiC 晶圆相较于 4 英寸晶圆在质量上偏低，因此现在 6 英寸首要用于制作二极管，在较低质量晶圆上制作二极管比制作MOSFET 更为简略。

  GaN 资料在自然界中短少单晶资料，因此长时刻在蓝宝石、 SiC、 Si 等异质衬底上进行外延。 如今经过氢化物气相外延(HVPE)、氨热法能够出产 2 英寸、 3 英寸、 4 英寸的 GaN自支撑衬底。 现在商业使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使用，可取得更高的发光功率及发光质量。

  从硅晶圆供应厂商格式： 日厂把控， 寡头格式安稳。日本厂商占有硅晶圆 50%以上商场比例。前五大厂商占有全球 90%以上比例。 其间，日本信越化学占比 27%、日本 SUMCO 占比 26%，两家日本厂商比例算计 53%，超越一半，我国台湾举世晶圆于 2016 年 12 月晶圆工业低谷期间收买美国 SunEdison 半导体，由第六提高第三名，占比 17%，德国 Siltronic 占比 13%，韩国 SK Siltron（原 LG Siltron， 2017年被 SK 集团收买） 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、我国台胜科、合晶、嘉晶等企业，比例相对较小。各大厂商供应晶圆类别与尺度上有所不同，整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，其间仅日本信越能够供应 12 英寸 SOI 晶片。德国Siltronic、韩国 SK Siltron 不供应 SOI 晶片， SK Siltron 不供应 Si 退火片。而 Si 抛光片与Si 外延片各家尺度根本没有不同。

  近 15 年来日本厂商一直占有硅晶圆 50%以上商场比例。硅晶圆产能未产生显着区域性搬运。 依据 Gartner， 2007 年硅晶圆市占率榜首日本信越（32.5%）、第二日本 SUMCO（21.7%）、第三德国 Siltronic（14.8%） ； 2002 年硅晶圆市占率榜首日本信越（28.9%）、第二日本 SUMCO（23.3%）、第三德国 Siltronic（15.4%） 。 近期商场比较大的变化是 2016年 12 月台湾举世晶圆收买美国 SunEdison，从第六大提高第三大厂商。但日本厂商一直占有 50%+比例。

  日本在 fab 环节竞赛力式微而资料环节一直保持抢先方位。 20 世纪 80 时代中旬，日本半导体工业的世界比例从前超越了 50%。日本在半导体资料范畴的优势从上世纪连续而来，而晶圆制作竞赛力显着削弱， 半导体 fab 环节呈现了显着的区域搬运。究其原因， fab 环节离需求端较近，商场变化大；但硅晶圆同质化程度高，新进入玩家需求在客户有比较久的时刻验证；且晶圆在晶圆代工中本钱占比 10%以下，晶圆代工厂不愿为较小的价格不同冒险替换不老练的产品。

  IC 规划方面， 巨子把控竞赛壁垒较高， 2018 年以来 AI 芯片成为新生长动力。 高通、博通、联发科、苹果等厂商实力最强，大陆厂商海思兴起。 跟着科技开展引领终端产品升级，AI 芯片等立异使用对 IC 产品需求不断扩展，估计到 2020 年 AI 芯片商场规划将从 2016 年约 6 亿美元升至 26 亿美元， CAGR 达 43.9%，现在国内外 IC 规划厂商正活跃布局 AI 芯片工业。英伟达是 AI 芯片商场领导者， AMD 与特斯拉正联合研制用于自动驾驶的 AI 芯片。

  关于国内厂商，华为海思于 2017 年 9 月首先推出麒麟 970 AI 芯片，现在已成功搭载入 P20等机型；比特大陆发布的全球首款张量加快核算芯片 BM1680 已成功运用于比特币矿机；寒武纪的 1A 处理器、地平线的征途和旭日处理器也已锋芒毕露。IC 规划面向终端、面向商场成为必定，国内厂商优势显着。 IC 规划业以需求为导向，才能够更好服务于下流客户。海思、展锐等移动处理芯片、基带芯片厂商依托近些年我国智能手机商场迸发敏捷兴起，跻身世界 IC 规划十强，海思芯片已全面使用到华为智能手机傍边，三星、小米等厂商亦选用了自研芯片， 如今我国为全球最大的终端需求商场，因此国内IC 规划业有巨大开展优势。

  代工制作方面，厂商 Capex 快速增加，三星、台积电等巨子领衔。 从本钱开销来看，现在全球先进制程芯片商场竞赛剧烈，全球排名前三的芯片制作商三星、英特尔、台积电的Capex 均到达百亿美元等级， 2017 年别离为 440/120/108 亿美元，估计三星未来三年总Capex 挨近 1100 亿美元，英特尔和台积电 2018 年 Capex 则估计别离到达 140 和 120 亿美元，均有较大起伏的增加，利于巨子经过研制先进制程技能和扩张产线来占领商场。

  从工艺制程来看，台积电走在职业前列，现在已大规划出产 10nm 制程芯片， 7nm 制程将于 2018年量产；我国大陆最为抢先的代工厂商中芯世界现在具有 28nm 制程量产才能，而台积电早于 2011 年已具有 28nm 量产才能，比较之下大陆厂商仍有较大距离。

  封测方面，未来高端制作+封测交融趋势初显，大陆厂商与台厂技能距离缩小。 封装测验技能现在已开展四代，在最高端技能上制作与封测已完成交融，其间台积电已建立起CoWoS 及 InFO 两大高阶封装生态体系，并方案经过从龙潭延伸至中科将 InFO 产能扩增一倍，以满意苹果 A12 芯片的需求。

  封测龙头日月光则把握顶尖封装与微电子制作技能，首先量产 TSV/2.5D/3D 相关产品，并于 2018 年 3 月与日厂 TDK 合资建立日月旸电子扩展 SiP布局。因为封装技能门槛相对较低，现在大陆厂商正快速追逐，与全球抢先厂商的技能距离正逐步缩小，大陆厂商已根本把握 SiP、 WLCSP、 FOWLP 等先进技能，使用方面 FC、 SiP等封装技能已完成量产。

  新一轮区域搬运面向我国大陆。 虽然现在 IC 规划、制作、封测的尖端厂商首要坐落美国、我国台湾。整体来看，半导体制作工业阅历了美国——日本——韩台的开展进程： 1950s，半导体工业起源于美国， 1947 年晶体管诞生， 1958 年集成电路诞生。 1970s，半导体制作由美国向日本搬运。 DRAM 是日韩工业开展的重要切入点， 80s 日本已在半导体工业处于抢先方位。 1990s，以 DRAM 为关键，工业转向韩国三星、海力士等厂商；晶圆代工环节则转向台湾，台积电、联电等厂商兴起。 2010s，智能手机、移动互联网迸发，物联网、大数据、云核算、人工智能等工业快速生长。人口盈利，需求搬运或将带动制作搬运，能够预见我国大陆已然成为新一轮区域搬运的意图地。

  晶圆尺度与工艺制程并行开展，每一制程阶段与晶圆尺度相对应。 （1） 制程前进→晶体管缩小→晶体管密度成倍增加→功能提高。 （2） 晶圆尺度增大→每片晶圆产出芯片数量更多→功率提高→本钱下降。 现在 6 吋、 8 吋硅晶圆出产设备遍及折旧结束，出产本钱更低，首要出产 90nm 以上的老练制程。 部分制程在相邻尺度的晶圆上都有产出。 5nm 至 0.13μm则选用 12 英寸晶圆，其间 28nm 为分界区分了先进制程与老练制程，首要原因是 28nm 今后引进 FinFET 等新规划、新工艺，晶圆制作难度大大提高。

  晶圆需求总量来看， 12 英寸 NAND 及 8 英寸商场为中心驱动力。 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%，微处理器芯片合模仿电路别离占 21.9%和 17.3%。依据咱们猜测，全球 2016 年下半年 12 寸硅晶圆需求约 510 万片/月，其间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，包含 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。

  下流详细使用来看， 12 英寸 20nm 以下先进制程功能微弱， 首要用于移动设备、 高功能核算等范畴， 包含智能手机主芯片、核算机 CPU、 GPU、高功能 FPGA、 ASIC 等。14nm-32nm 先进制程使用于包含 DRAM、 NAND Flash 存储芯片、中低端处理器芯片、印象处理器、数字电视机顶盒等使用。

  12 英寸 45-90nm 的老练制程首要用于功能需求略低，对本钱和出产功率要求高的范畴，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 首要使用于 MCU、指纹识别芯片、印象传感器、电源办理芯片、液晶驱动 IC 等。 8 英寸 0.18μm-0.25μm 首要有非易失性存储如银行卡、 sim 卡等， 0.35μm 以上首要为 MOSFET、 IGBT 等功率器材。

  衬底商场： 高技能门槛导致化合物半导体衬底商场寡占，日本、美国、德国厂商主导。GaAs 衬底现在已日本住友电工、德国 Freiberg、美国 AXT、日本住友化学四家占有，四家比例超 90%。住友化学于 2011 年收买日立电缆（日立金属）的化合物半导体事务，并于 2016年划至子公司 Sciocs。 GaN 自支撑衬底现在首要由日本三家企业住友电工、三菱化学、住友化学独占，占比算计超 85%。 SiC 衬底龙头为美国 Cree（Wolfspeed 部分），商场占比超三分之一，其次为德国 SiCrystal、美国 II-VI、美国 Dow Corning，四家算计比例超 90%。近几年我国也呈现了具有必定量产才能的 SiC 衬造商，如北京天科合达半导体股份有限公司。

  外延生长商场中，英国 IQE 商场占比超 60%为肯定龙头。 英国 IQE 及我国台湾全新光电两家比例算计达 80%。 外延生长首要包含 MOCVD（化学气相沉积）技能以及 MBE（分子束外延）技能两种。例如， IQE、 全新光电均选用 MOCVD，英特磊选用 MBE 技能。 HVPE（氢化物气相外延）技能首要使用于 GaN 衬底的出产。

  化合物半导体晶圆代工范畴稳懋为榜首大厂商，占比 66%，为肯定龙头。 第二、第三为宏捷科技 AWSC、 环宇科技 GCS，占比别离为 12%、 9%。国内规划推动代工， 大陆化合物半导体代工龙头呼之欲出。 现在国内 PA 规划现已出现了锐迪科 RDA、 唯捷创芯 vanchip、汉全国、 飞骧科技等公司。

  化合物半导体下流详细使用首要可分为两大类：光学器材和电子设备。 光学器材包含LED 发光二极管、 LD 激光二极管、 PD 光接收器等。 电子器材包含 PA 功率放大器、 LNA低噪声放大器、射频开关、数模转化、微波单片 IC、功率半导体器材、霍尔元件等。 关于GaAs 资料而言， SC GaAs（单晶砷化镓） 首要使用于光学器材， SI GaAs（半绝缘砷化镓）首要使用于电子器材。

  光学器材中， LED 为占比最大一项， LD/PD、 VCSEL 生长空间大。 Cree 大约 70%收入来自 LED，其他来自功率、射频、 SiC 晶圆。 SiC 衬底 80%的商场来自二极管，在所有宽禁带半导体衬底中， SiC 资料是最为老练的。不同化合物半导体资料制作的 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，使用 GaN蓝光 LED 激起黄色荧光资料能够制作白光 LED。此外 GaAs 可制作红外光 LED，常见的使用于遥控器红外发射， GaN 则能够制作紫外光 LED。 GaAs、 GaN 别离制作的红光、蓝光激光发射器能够使用于 CD、 DVD、蓝光光盘的读取。

  GaN 因为功率密度高，在基站大功率器材范畴具有共同优势。 相关于硅衬底来说， SiC衬底具有更好的热传导特性，现在业界超越 95%的 GaN 射频器材选用 SiC 衬底，如 Qorvo选用的正是依据 SiC 衬底的工艺，而硅基 GaN 器材可在 8 英寸晶圆制作，更具本钱优势。在功率半导体范畴， SiC 衬底与 GaN on Silicon 只在很小一部分范畴有竞赛。 GaN 商场大多是低压范畴，而 SiC 在高压范畴使用。 它们的鸿沟大约是 600V。

  CPU 现在华为海思能够独立规划，此外还包含小米松果等 fabless 规划公司， 但因为选用 12 英寸最早进制程，制作首要依托我国台湾企业； DRAM、 NAND 闪存国内尚无相关公司量产；前端 LTE 模块、 WiFi 蓝牙模块选用了 GaAs 资料， 产能集中于 Skyworks、 Qorvo 等美国 IDM 企业以及稳懋等我国台湾代工厂，我国大陆尚无砷化镓代工厂商；射频收发模块、 PMIC、音频 IC 可做到海思规划+foundry 代工，而充电操控 IC、 NFC 操控 IC 以及气压、陀螺仪等传感器首要由欧美 IDM厂商供应。整体来看智能手机中心芯片国产率仍低，部分芯片如 DRAM、 NAND、射频模块等国产化简直为零。

  以干流旗舰手机 iPhone X 为例能够大致看出我国大陆芯片厂商在全球供应链中的方位。 CPU 选用苹果自主规划+台积电先进制程代工， DRAM、 NAND 来自韩国/日本/美国 IDM厂商；基带来自高通规划+台积电先进制程代工；射频模块选用砷化镓资料，来自 Skyworks、Qorvo 等 IDM 厂商或博通+稳懋代工；模仿芯片、音频 IC、 NFC 芯片、触控 IC、印象传感器等均来自我国大陆以外企业，我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我国大陆供应商打入，乃至部分由大陆厂商独占。由此可见我国大陆芯片企业在全球范围内竞赛力仍低。

  通讯基站对国外芯片依托程度极高，且以美国芯片企业为主。 现在基站体系首要由基带处理单元（BBU）及射频拉远单元（RRU）两部分组成， 一般一台 BBU 对应多台 RRU 设备。 比较之下， RRU 芯片的国产化程度更低，关于国外依托程度高。

  美国厂商独占大功率射频器材。 详细来看， 现在 RRU 设备中的 PA、 LNA、 DSA、 VGA等芯片首要选用砷化镓或氮化镓工艺，来自 Qorvo、 Skyworks 等公司，其间氮化镓器材一般为碳化硅衬底，即 GaN on SiC。 RF 收发器、数模转化器选用硅基及砷化镓工艺，首要厂商包含 TI、 ADI、 IDT 等公司。以上厂商均为美国公司，因此通讯基站芯片对美国厂商依托性极高。

  轿车电子关于半导体器材需求以 MCU、NOR Flash、IGBT 等为主。 传统轿车内部首要以 MCU 需求较高，包含动力操控、安全操控、发动机操控、底盘操控、车载电器等多方面。新能源轿车还包含电子操控单元 ECU、功率操控单元 PCU、电动轿车整车操控单元 VCU、混合动力轿车整车操控器 HCU、电池办理体系 BMS 以及逆变器中心部件 IGBT 元件。

  AI 芯片与矿机芯片归于高功能核算，关于先进制程要求较高。 在 AI 及区块链场景下，传统 CPU 算力缺乏，新架构芯片成为开展趋势。当时首要有连续传统架构的 GPU、 FPGA、ASIC（TPU、 NPU 等）芯片途径， 以及完全推翻传统核算架构，选用模仿人脑神经元结构来提高核算才能的芯片途径。 云端范畴 GPU 生态抢先，而终端场景专用化是未来趋势。

  依据 NVIDIA 与 AMD 发布的技能路途 年 GPU 将进入 12nm/7nm 制程。 而现在 AI、矿机相关的 FPGA 及 ASIC 芯片也均选用了 10~28nm 的先进制程。国内厂商出现了寒武纪、深鉴科技、地平线、比特大陆等优异的 IC 规划厂商首先完成打破，而制作则首要依托台积电等先进制程代工厂商。

  现阶段国产化程度低， 半导体工业实践依托全球协作。 虽然我国半导体工业现在正处于快速开展阶段，但整体来看存在整体产能较低， 全球商场竞赛力弱，中心芯片范畴国产化程度低， 对国外依托程度较高级现状。 我国半导体工业链在资料、设备、制作、规划等多个高端范畴对国外高度依托，完成半导体工业自主代替需阅历较绵长路途。

  依据 IC Insight 数据显现， 2015 年我国集成电路企业在全球商场比例仅有 3%，而美国、韩国、日本别离高达54%/20%/8%。 事实上，即便是美国、 韩国、 日本也无法到达半导体工业链 100%自产。例如在先进制程制作的中心设备光刻机方面仍然依托荷兰 ASML 一家企业。更多参加全球分工，在此进程中逐步提高国产化占比，是一条切实可行的半导体工业开展路途。

  我国大陆芯片下流需求端终端商场全备，供应端有望向我国大陆歪斜。 （1） 需求端：下流终端使用商场全备，规划条件逐步老练。跟着全球终端产品产能向我国搬运，我国现已成为全球终端产品制作基地， 2017 年我国轿车、智能手机出货量占全球比重别离达 29.8%、33.6%。芯片需求全面包括硅基、化合物半导体商场，芯片商场空间巨大。（2）供应端：当时我国大陆产量规划居前的 IC 规划、晶圆代工、存储厂商寥寥数计，技能水平没有到达抢先水平，中高端芯片制作、化合物半导体芯片严峻依托进口。跟着近些年终端需求随智能手机等工业链而逐步搬运至我国大陆，需求搬运或拉动制作搬运，下流芯片供应端随之开端搬运至大陆。

  国内方针加快半导体职业开展。 近年来我国集成电路扶持方针密布公布， 融资、税收、补助等方针环境不断优化。尤其是 2014 年 6 月出台的《国家集成电路工业开展推动大纲》，定调“规划为龙头、制作为根底、配备和资料为支撑”，以 2015、2020、2030 为生长周期全力推动我国集成电路工业的开展：方针到 2015 年，集成电路工业销售收入超越 3500 亿元；到 2020 年，集成电路工业销售收入年均增速超越 20%； 到 2030 年，集成电路工业链首要环节到达世界先进水平，一批企业进入世界榜首队伍，完成跨过开展。

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