半导体的上游原材料有哪些

梳理半导体上游材料公司芯片的上游材料，其实在介绍国家基金二期的文章里也简单提到过。今天我们再做一次物质面的全面梳理。半导体材料包括光刻胶、靶材、特殊气体等。，这个应该很多朋友都知道。目前这些半导体材料只有15%左右是国产的。在国外封锁相关产业链的情况下，国内替代仍然是重点。从机构披露的报告来看，半导体上游材料的报告数量在增加，未来国产化趋势仍将持续。这些材料可分为三类:基础材料、制造材料和包装材料。基本材料基本上，材料可以分为硅片和化合物半导体。硅片是集成电路制造过程中最重要的原材料。相关上市公司:上海新阳、晶盛机电、中环股份。化合物主要指砷化镓(gaas)、氮化镓(gan)和碳化硅(sic)等。最近热炒的氮化镓也在其中，所以并不新鲜。上市公司:三安光电、文泰科技、海特高新、士兰威、福满电子、耐威科技、海陆重工、云南锗业、赣兆光电等。制造材料。制造材料可分为六大类:电子专用气体、溅射靶材、光刻胶、抛光材料、掩膜、湿式电子化学品。电子特种气体特种气体是特种气体的一个重要分支，是集成电路(ic)、显示面板(LCD、有机发光二极管)、光伏能源、光纤电缆等电子工业生产中不可或缺的原料。它广泛应用于薄膜、光刻、刻蚀、掺杂、气相沉积、扩散等工艺中，其质量对电子元器件的性能有重要影响。相关上市公司:华特燃气、雅克科技、南大光电、杭氧股份。溅射靶在高科技芯片产业中，溅射靶材是VLSI制造的必备原材料。它利用离子源产生的离子在高真空中加速聚集形成高速离子束，轰击固体表面。离子与固体表面上的原子交换动能，使得固体表面上的原子离开固体并沉积在基底表面上。被轰击的固体是溅射沉积薄膜的原料，称为溅射靶。靶材是溅射工艺的核心材料。目前a股市场从事溅射靶材的上市公司只有四家:阿诗创、友研新材、江峰电子、龙华科技。光刻胶光刻胶是电子领域微图形加工的关键材料，在半导体、LCD、PCB等行业的生产中发挥着重要作用。光刻胶是通过光化学反应将所需精细图形从掩膜版转移到加工基板上的图形转移介质，是光电信息产业中精细图形电路加工的关键材料。上市公司:南大光电、李强新材料、景瑞、荣达光敏、金龙机电、飞凯材料、江华微等光泽剂一般指cmp化学机械抛光工艺中使用的材料，一般可分为抛光垫、抛光液、调节剂和清洁剂，其中前两者最为关键。抛光垫的材料一般为聚氨酯或含饱和聚氨酯的聚酯，抛光液一般由超细固体颗粒磨料(如纳米二氧化硅、氧化铝颗粒)、表面活性剂、稳定剂、氧化剂等组成。上市公司:鼎龙(抛光垫)、安吉科技(抛光液)。掩模板又称光掩模、光掩膜、光刻掩膜，是半导体芯片光刻工艺中设计图案的载体。上市公司:菲利帕和应时。湿电子化学品又称超净高纯试剂，是指半导体制造过程中使用的各种高纯化学试剂。上市公司主要包括:多氟多、景瑞、江华微。包装材料封装材料可细分为六大类:芯片键合材料、键合线、陶瓷封装材料、引线框架、封装基板和切割材料。芯片键合材料是一种利用键合技术将芯片与基底或封装基板连接起来的材料。上市公司:飞凯材料、宏昌电子陶瓷封装材料是一种电子封装材料，用于承担电子元器件的机械支撑、环境密封和散热等功能。相关上市公司:三环集团封装基板是封装材料中最昂贵的部分，主要起到承载保护芯片，连接上层芯片和下层电路板的作用。相关公司:兴森科技、深南电路键合线，半导体用键合线，用于焊接连接芯片与支架，承担芯片与外界的关键电连接功能。相关上市公司主要有:康强电子引线框架作为半导体的芯片载体，是通过键合线实现芯片内部电路端子与外部电路(pcb)之间的电连接，形成电气回路的关键结构部件。相关上市公司:康强电子材料切割，目前主流的切割方式分为两类，一类是用划线系统切割，一类是用激光切割。相关上市公司主要有:戴乐新材料2018年，全球半导体材料销售额为519亿美元，占比矩阵材料(23.4%)、制造材料(38.7%)和封装材料(28%)。

三代半导体——氮化镓

氮化镓（GaN），是由氮和镓组成的一种半导体材料，因为其禁带宽度大于2.2eV,又被称为宽禁带半导体材料，在国内也称为第三代半导体材料。

氮化镓和其他半导体材料对比

上图中我们可以看到，氮化镓比硅禁带宽度大3倍，击穿场强高10倍，饱和电子迁移速度大3倍，热导率高2倍。这些性能提升带来一些的优势就是氮化镓比硅更适合做大功率高频的功率器件，同时体积还更小，功率密度还更大。

氮化镓的优异特性

就如这次小米的快充一样，使得小米65W氮化镓充电器的尺寸仅为56.3mm x 30.8mm x 30.8mm，体积比小米笔记本标配的65W适配器还减小了约48%，约为苹果61W快充充电器的三分之一。

为什么氮化镓快充头可以这么小巧？功率还这么大？

这就是得益于氮化镓材料本身优异的性能，使得做出来的氮化镓比传统硅基IGBT/MOSFET 等芯片面积更小，同时由于更耐高压，大电流，氮化镓芯片功率密度更大，因此功率密度/面积远超硅基，此外由于使用氮化镓芯片后还减少了周边的其他元件的使用，电容，电感，线圈等被动件比硅基方案少的多，进一步缩小的体积，所以本次看到的氮化镓快充头，不仅体积小巧，但是还能提供更强大的功率输出。

传统硅基功率器件和氮化镓MOS对比

除了快充，氮化镓还有其他什么重要应用？

氮化镓材料，目前有三个比较重要的方向，分别是光电领域，包括我们现在常见的LED，以及激光雷达和VCSEL传感器；功率领域，各类电子电力器件应用在快充头，变频器，新能源汽车，消费电子等电子电力转换场景；射频领域，包括5G基站，军事雷达，低轨卫星，航天航空等领域。

为什么氮化镓快充电头这么贵？

本次快充头中除了PD协议成本，其他硬件材料电容电感线圈电源管理IC等之外，相当一部分的成本来自于氮化镓MOS功率芯片。

制造氮化镓MOS的原材料就是氮化镓单晶片，目前单晶2英寸就高达2万多元一片。商业方案中较多的使用硅基氮化镓外延片，但是价格也非常高昂，8英寸的硅基氮化镓也超过1万的售价，而且产能不足，很难买到。硅基氮化镓是同面积的硅片的30多倍。

所以说过于昂贵的原材料导致了氮化镓芯片非常昂贵，最终传到到终端产品就看到高出普通充电头数倍的价格。

氮化镓材料为什么如此昂贵？

氮化镓是自然界没有的物质，完全要靠人工合成。氮化镓没有液态，因此不能使用单晶硅生产工艺的传统直拉法拉出单晶，纯靠气体反应合成。由于反应时间长，速度慢，反应副产物多，设备要求苛刻，技术异常复杂，产能极低，导致氮化镓单晶材料极其难得，因此2英寸售价便高达2万多。商业场景中，更多使用氮化镓异质外延片。

什么叫氮化镓异质外延片？

在氮化镓单晶衬底上长氮化镓外延层我们称为同质外延，在其他衬底材料上长氮化镓我们称为异质外延片。

目前包括蓝宝石，碳化硅，硅等是氮化镓外延片主流的异质衬底材料。

其中蓝宝石基氮化镓外延片只能用来做LED；硅基氮化镓可以做功率器件和小功率的射频；碳化硅基本氮化镓可以制造大功率LED、功率器件和大功率射频芯片。

本次小米发售的快充头，就是硅基氮化镓做的功率器件的一个典型应用场景。

为什么同是外延片，应用差异这么大？

氮化镓外延片的用来制造器件有很多具体的指标，包括晶格缺陷、径向偏差、电阻率、掺杂水平、表面粗糙度、翘曲度等，在不同的衬底材料长的外延层晶体质量差别较大。

其中氮化镓和3C碳化硅，有着非常接近的晶格体系，两者适配度非常高，超过95%，因此碳化硅衬底上长氮化镓外延，外延层质量非常好，可以用来做高端产品，包括大射频功率、大功率器件、大功率LED、激光雷达等。

硅和氮化镓晶体适配度非常低，不到83%，因此硅上无法直接长外延层。需要长多道缓冲层来过渡，因此外延层质量水平就比碳化硅基差不少，因此硅基氮化镓只能用来做小功率射频，中小功率器件。

蓝宝石基氮化镓，因为衬底材料的问题，无法应用到射频和功率领域，只能用作普通的LED灯。

虽然都是氮化镓外延片，但是由于衬底材料的不同，外延层晶体质量差异较大，应用也不尽相同。

蓝宝石片最便宜，硅基次之，碳化硅较贵，氮化镓最贵。

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