台积电开启晶圆代工时代，成为集成电路中最为重要的一个环节。 1987 年，台积电的成立开启了 晶圆代工时代，尤其在得到了英特尔的认证以后，晶圆代工被更多的半导体厂商所接受。晶圆代工 打破了 IDM 单一模式，成就了晶圆代工+IC 设计模式。目前，半导体行业垂直分工成为了主流， 新进入者大多数拥抱 fabless 模式，部分 IDM 厂商也在逐渐走向 fabless 或者 fablite 模式。
全球晶圆代工市场一直呈现快速增长，未来有望持续 。晶圆代工+IC 设计成为行业趋势以后，受益 互联网、移动互联网时代产品的强劲需求，整个行业一直保持快速增长，以台积电为例，其营业收 入从 1991 年的 1.7 亿美元增长到 2019 年的 346 亿美元，1991-2019 年，CAGR 为 21%。2019 年全球晶圆代工市场达到了 627 亿美元，占全球半导体市场约 15%。未来进入物联网时代，在 5G、 人工智能、大数据强劲需求下，晶圆代工行业有望保持持续快速增长。
晶圆代工行业现状：行业呈现寡头集中。 晶圆代工是制造业的颠覆，呈现资金壁垒高、技术难度大、 技术迭代快等特点，也因此导致了行业呈现寡头集中，其中台积电是晶圆代工行业绝对的领导者， 营收占比超过 50%，CR5 约为 90%。
晶圆代工行业资金壁垒高。 晶圆代工厂的资本性支出巨大，并且随着制程的提升，代工厂的资本支 出中枢不断提升。台积电资本支出从 11 年的 443 亿元增长到 19 年的 1094 亿元，CAGR 为 12%。 中芯国际资本性支出从 11 年的 30 亿元增长到了 19 年的 131 亿元，CAGR 为 20%，并且随着 14 nm 及 N+1 制程的推进，公司将显著增加 2020 年资本性支出，计划为 455 亿元。巨额投资将众多 追赶者挡在门外，新进入者难度极大。
随着制程提升，晶圆代工难度显著提升。 随着代工制程的提升，晶体管工艺、光刻、沉积、刻蚀、 检测、封装等技术需要全面创新，以此来支撑芯片性能天花板获得突破。
晶体管工艺持续创新。 传统的晶体管工艺为 bulk Si，也称为体硅平面结构（Planar FET）。 随着 MOS 管的尺寸不断的变小，即沟道的不断变小，会出现各种问题，如栅极漏电、泄漏功 率大等诸多问题，原先的结构开始力不从心，因此改进型的 SOI MOS 出现，与传统 MOS 结 构主要区别在于：SOI 器件具有掩埋氧化层，通常为 SiO2，其将基体与衬底隔离。由于氧化 层的存在，消除了远离栅极的泄漏路径，这可以降低功耗。随着制程持续提升，常规的二氧 化硅氧化层厚度变得极薄，例如在 65nm 工艺的晶体管中的二氧化硅层已经缩小仅有 5 个氧 原子的厚度了。二氧化硅层很难再进一步缩小了，否则产生的漏电流会让晶体管无法正常工 作。因此在 28nm 工艺中，高介电常数（K）的介电材料被引入代替了二氧化硅氧化层（又称 HKMG 技术）。随着设备尺寸的缩小，在较低的技术节点，例如 22nm 的，短沟道效应开始 变得更明显，降低了器件的性能。为了克服这个问题，FinFET 就此横空出世。FinFET 结构 结构提供了改进的电气控制的通道传导，能降低漏电流并克服一些短沟道效应。目前先进制 程都是采用 FinFET 结构。
制程提升，需要更精细的芯片，光刻机性能持续提升。 负责“雕刻”电路图案的核心制造设备是光刻机，它是芯片制造阶段最核心的设备之一，光刻机的精度决定了制程的精度。第四 代深紫外光刻机分为步进扫描投影光刻机和浸没式步进扫描投影光刻机，其中前者能实现最 小 130-65nm 工艺节点芯片的生产，后者能实现最小 45-22nm 工艺节点芯片的生产。通过多 次曝光刻蚀，浸没式步进扫描投影光刻机能实现 22/16/14/10nm 芯片制作。到了 7/5nm 工艺， DUV 光刻机已经较难实现生产，需要更为先进的 EUV 光刻机。EUV 生产难度极大，零部件 高达 10 万多个，全球仅 ASML 一家具备生产能力。目前 EUV 光刻机产量有限而且价格昂 贵，2019 年全年，ASML EUV 销量仅为 26 台，单台 EUV 售价高达 1.2 亿美元。
晶圆代工技术迭代快，利于头部代工厂。 芯片制程进入 90nm 节点以后，技术迭代变快，新的制程 几乎每两到三年就会出现。先进制程不但需要持续的研发投入，也需要持续的巨额资本性支出，而 且新投入的设备折旧很快，以台积电为例，新设备折旧年限为 5 年，5 年以后设备折旧完成，生产 成本会大幅度下降，头部厂商完成折旧以后会迅速降低代工价格，后进入者难以盈利。
2.1摩尔定律延续，技术难度与资本投入显著提升
追寻摩尔定律能让消费者享受更便宜的 算 力，晶圆代工是推动摩尔定律最重要的环节。 1965 年， 英特尔（Intel）创始人之一戈登·摩尔提出，当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目， 约每隔 18-24 个月便会增加一倍，性能也将提升一倍，这也是全球电子产品整体性能不断进化的核 心驱动力，以上定律就是著名的摩尔定律。换而言之，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔 18- 24 个月翻一倍以上。推动摩尔定律的核心内容是发展更先进的制程，而晶圆代工是其中最重要的 环节。
摩尔定律仍在延续。 市场上一直有关于摩尔定律失效的顾虑，但是随着 45nm、28nm、10nm 持续 的推出，摩尔定律仍然保持着延续。台积电在 2018 年推出 7nm 先进工艺，2020 年开始量产 5nm， 并持续推进 3nm 的研究，预计 2022 年量产 3nm 工艺。IMEC 更是规划到了 1nm 的节点。此外， 美国国防高级研究计划局进一步提出了先进封装、存算一体、软件定义硬件处理器三个未来发展研 究与发展方向，以此来超越摩尔定律。在现在的时间点上来看，摩尔定律仍然在维持，但进一步提 升推动摩尔定律难度会显著提升。
先进制程资本性投入进一步飙升 。根据 IBS 的统计，先进制程资本性支出会显著提升。以 5nm 节 点为例，其投资成本高达数百亿美金，是 14nm 的两倍，是 28nm 的四倍。为了建设 5nm 产线， 2020 年，台积电计划全年资本性将达到 150-160 亿美元。先进制程不仅需要巨额的建设成本，而 且也提高了设计企业的门槛，根据 IBS 的预测，3nm 设计成本将会高达 5-15 亿美元。
3nm 及以下制程需要采用全新的晶体管工艺。 FinFET 已经历 16nm/14nm 和 10nm/7nm 两个工艺 世代，随着深宽比不断拉高，FinFET 逼近物理极限，为了制造出密度更高的芯片，环绕式栅极晶 体管（GAAFET，Gate-All-Ground FET）成为新的技术选择。不同于 FinFET，GAAFET 的沟道被 栅极四面包围，沟道电流比三面包裹的 FinFET 更加顺畅，能进一步改善对电流的控制，从而优化 栅极长度的微缩。三星、台积电、英特尔均引入 GAA 技术的研究，其中三星已经先一步将 GAA 用 于 3nm 芯片。如果制程到了 2nm 甚至 1nm 时，GAA 结构也许也会失效，需要更为先进的 2 维 、 甚至 3 维立体结构，目前微电子研究中心（Imec）正在开发面向 2nm 的 forksheet FET 结构。
3nm 及以下制程，光刻机也需要升级。 面向 3nm 及更先进的工艺，芯片制造商或将需要一种称为 高数值孔径 EUV（high-NA EUV）的光刻新技术。根据 ASML 年报，公司正在研发的下一代极紫 外光刻机将采用 high-NA 技术，有更高的数值孔径、分辨率和覆盖能力，较当前的 EUV 光刻机将 提高 70%。ASML 预测高数值孔径 EUV 将在 2022 年以后量产。
除上面提到巨额资本与技术难题以外，先进制程对沉积与刻蚀、检测、封装等环节也均有更高的要 求。正是因为面临巨大的资本和技术挑战，目前全球仅有台积电、三星、intel 在进一步追求摩尔定 律，中芯国际在持续追赶，而像联电、格罗方德等晶圆代工厂商已经放弃了 10nm 及以下制程工艺 的研发，全面转向特色工艺的研究与开发。先进制程的进一步推荐节奏将会放缓，为中芯国际追赶 创造了机会。
2.2先进制程占比持续提升，成熟工艺市场不断增长
高性能芯片需求旺盛，先进制程占比有望持续提升。 移动终端产品、高性能计算、 汽车 电子和通信 及物联网应用对算力的要求不断提升，要求更为先进的芯片，同时随着数据处理量的增加，存储芯 片的制程也在不断升级，先进制程的芯片占比有望持续提升。根据 ASML2018 年底的预测，到 2025 年，12 寸晶圆的先进制程占比有望达到 2/3。2019 年中，台积电 16nm 以上和以下制程分别占比 50%，根据公司预计，到 2020 年，16nm 及以下制程有望达到 55%。
CPU、逻辑 IC、存储器等一般采用先进制程（12 英寸），而功率分立器件、MEMS、模拟、CIS、 射频、电源芯片等产品（从 6μm 到 40nm 不等）则更多的采用成熟工艺（8 寸片）。 汽车 、移动 终端及可穿戴设备中超过 70%的芯片是在不大于 8 英寸的晶圆上制作完成。相比 12 寸晶圆产线，8 寸晶圆制造厂具备达到成本效益生产量要求较低的优势，因此 8 寸晶圆和 12 寸晶圆能够实现优 势互补、长期共存。
受益于物联网、 汽车 电子的快速发展，MCU、电源管理 IC、MOSFET、ToF、传感器 IC、射频芯 片等需求持续快速增长。 社会 已经从移动互联网时代进入了物联网时代，移动互联网时代联网设备 主要是以手机为主，联网设备数量级在 40 亿左右，物联网时代，设备联网数量将会成倍增加，高 通预计到 2020 年联网 设备数量有望达到 250 亿以上。飙升的物联网设备需要需要大量的成熟工艺 制程的芯片。以电源管理芯片为例，根据台积电年报数据，公司高压及电源管理晶片出货量从 2014 年的 1800 万片（8 寸）增长到 2019 年的 2900 万片，CAGR 为 10%。根据 IHS 的预测，成熟晶 圆代工市场规模有望从 2020 年的 372 亿美元增长到 2025 年的 415 亿美元。
特色工艺前景依旧广阔，主要代工厂积极布局特色工艺。 巨大的物联网市场前景，吸引了众多 IC 设计公司开发新产品。晶圆代工企业也瞄准了物联网的巨大商机，频频推出新技术，配合设计公司 更快、更好地推出新一代芯片，助力物联网产业高速发展。台积电和三星不仅在先进工艺方面领先布局，在特色工艺方面也深入布局，例如台积电在图像传感器领域、三星在存储芯片领域都深入布 局。联电、格罗方德、中芯国际、华虹半导体等代工厂也全面布局各自的特色工艺，在射频、 汽车 电子、IOT 等领域，形成了各自的特色。
5G 时代终端应用数据量爆炸式提升增加了对半导体芯片的需求，晶圆代工赛道持续繁荣。 随着对 于 5G 通信网络的建设不断推进，不仅带动数据量的爆炸式提升，要求芯片对数据的采集、处理、 存 储 效率更高，而且也催生了诸多 4G 时代难以实现的终端应用，如物联网、车联网等，增加了终 端对芯片的需求范围。对于芯片需求的增长将使得下游的晶圆代工赛道收益，未来市场前景极其广 阔。根据 IHS 预测，晶圆代工市场规模有望从 2020 年的 584 亿美元，增长到 2025 年的 857 亿美 元，CAGR 为 8%。
3.15G 推动手机芯片需求量上涨
5G 手机渗透率快速提升。手机已经进入存量时代，主要以换机为主。2019 年全球智能手机出货量 为 13.7 亿部，2020 年受疫情影响，IDC 等预测手机总体出货量为 12.5 亿台，后续随着疫情的恢 复以及 5G 产业链的成熟，5G 手机有望快速渗透并带动整个手机出货。根据 IDC 等机构预测，5G 手机出货量有望从 2020 年的 1.83 增长到 2024 年的 11.63 亿台，CAGR 为 59%。
5G 手机 SOC、存储和图像传感器全面升级，晶圆代工行业充分受益。 消费者对手机的要求越来越 高，需要更清晰的拍照功能、更好的 游戏 体验、多任务处理等等，因此手机 SOC 性能、存储性能、 图像传感器性能全面提升。目前旗舰机的芯片都已经达到了 7nm 制程，随着台积电下半年 5 nm 产 能的释放，手机 SOC 有望进入 5nm 时代。照片精度的提高，王者荣耀、吃鸡等大型手游和 VLOG 视频等内容的盛行，对手机闪存容量和速度也提出了更高的要求，LPDDR5 在 2020 年初已经正式 亮相小米 10 系列和三星 S20 系列，相较于上一代的 LPDDR4，新的 LPDDR5 标准将其 I/O 速 度从 3200MT/s 提升到 6400MT/s，理论上每秒可以传输 51.2GB 的数据。相机创新是消费者更 换新机的主要动力之一，近些年来相机创新一直在快速迭代，一方面，多摄弥补了单一相机功能不 足的缺点，另一方面，主摄像素提升带给消费者更多的高清瞬间，这两个方向的创新对晶圆及代工 的需求都显著提升。5G 时代，手机芯片晶圆代工市场将会迎来量价齐升。
5G 手机信号频段增加，射频前端芯片市场有望持续快速增长。射频前端担任信号的收发工作，包 括低噪放大器、功率放大器、滤波器、双工器、开关等。相较于 4G 频段，5G 的频段增加了中高 频的 Sub-6 频段，以及未来的更高频的毫米波频段。根据 yole 预测，射频前端市场有望从 2018 年 的 149 亿美元，增长到 2023 年的 313 亿美元，CAGR 为 16%。
3.2云计算前景广阔，服务器有望迎来快速增长
2020 年是国内 5G 大规模落地元年，有望带来更多数据流量需求 。据中国信通院在 2019 年 12 月 份发布的报告，2020 年中国 5G 用户将从去年的 446 万增长到 1 亿人，到 2024 年我国 5G 用户 渗透率将达到 45%，人数将超过 7.7 亿人，全球将达到 12 亿人，5G 用户数的高增长带来流量的 更高增长。
5G 时代来临，云计算产业前景广阔。 进入 5G 时代，IoT 设备数量将快速增加，同时应用的在线 使用需求和访问流量将快速爆发，这将进一步推动云计算产业规模的增长。根据前瞻产业研究院的 报告，2018 年中国云计算产业规模达到了 963 亿元，到 2024 年有望增长到 4445 亿元，CAGR 为 29%，产业前景广阔。
边缘计算是云计算的重要补充，迎来新一轮发展高潮。 根据赛迪顾问的数据，2018 年全球边缘计 算市场规模达到 51.4 亿美元，同比增长率 57.7%，预计未来年均复合增长率将超过 50%。而中国 边缘计算市场规模在 2018 年达到了 77.4 亿元，并且 2018-2021 将保持 61%的年复合增长率，到 2021 年达到 325.3 亿元。
服务器大成长周期确定性强。 服务器短期拐点已现，受益在线办公和在线教育需求旺盛，2020 年 服务器需求有望维持快速增长。长期来看，受益于 5G、云计算、边缘计算强劲需求，服务器销量 有望保持持续高增长。根据 IDC 预测，2024 年全球服务器销量有望达到 1938 万台，19-24 年， CAGR 为 13%。
服务器半导体需求持续有望迎来快速增长，晶圆代工充分受益。 随着服务器数量和性能的提升，服 务器逻辑芯片、存储芯片对晶圆的需求有望快速增长，根据 Sumco 的预测，服务器对 12 寸晶圆 需求有望从 2019 年的 80 万片/月，增长到 2024 年的 158 万片/月，19-24 年 CAGR 为 8%。晶圆 代工市场有望充分受益服务器芯片量价齐升。
3.3三大趋势推动 汽车 半导体价值量提升
传统内燃机主要价值量主要集中在其动力系统。 而随着人们对于 汽车 出行便捷性、信息化的要求逐 渐提高， 汽车 逐步走向电动化、智能化、网联化，这将促使微处理器、存储器、功率器件、传感器、 车载摄像头、雷达等更为广泛的用于 汽车 发动机控制、底盘控制、电池控制、车身控制、导航及车 载 娱乐 系统中， 汽车 半导体产品的用量显著增加。
车用半导体有望迎来加速增长。 根据 IHS 的报告，车用半导体销售额 2019 年为 410 亿美元，13- 19 年 CAGR 为 8%。随着 汽车 加速电动化、智能化、网联化，车用芯片市场规模有望迎来加速， 根据 Gartner 的数据，全球 汽车 半导体市场 2019 年销售规模达 410.13 亿美元，预计 2022 年有望 达到 651 亿美元，占全球半导体市场规模的比例有望达到 12%，并成为半导体下游应用领域中增 速最快的部分。
自动驾驶芯片要求高，有望进一步拉动先进制程需求。 自动驾驶是通过雷达、摄像头等将采集车辆 周边的信息，然后通过自动驾驶芯片处理数据并给出反馈，以此降低交通事故的发生率、提高城市 中的运载效率并降低驾驶员的驾驶强度。自动驾驶要求多传感器之间能够及时、高效地传递信息， 并同时完成路线规划和决策，因此需要完成大量的数据运算和处理工作。随着自动驾驶级别的上升， 对于芯片算力的要求也越高，产生的半导体需求和价值量也随之水涨船高。英伟达自动驾驶芯片随 着自动驾驶级别的提升，芯片制程也显著提升，最早 Drive PX 采用的是 20nm 工艺，而最新 2019 年发布的 Drive AGX Orin 将会采用三星 8nm 工艺。根据英飞凌的预测，自动驾驶给 汽车 所需要的 半导体价值带来相当可观的增量，一辆车如果实现 Level2 自动驾驶，半导体价值增量就将达到 160 美元，若自动驾驶级别达到 level4&5，增量将会达到 970 美元。
3.4IoT 快速增长，芯片类型多
随着行业标准完善、技术不断进步、政策的扶持，全球物联网市场有望迎来爆发性增长。GSMA 预 测，中国 IOT 设备联网数将会从 2019 年的 36 亿台， 增到 到 2025 年的 80 亿台，19-25 年 CAGR 为 17.3%。根据全球第二大市场研究机构 MarketsandMarkets 的报告，2018 年全球 IoT 市场规模 为 795 亿美元，预计到 2023 年将增长到 2196 亿美元，18-23 年 CAGR 为 22.5%。
物联网的发展需要大量芯片支撑，半导体市场规模有望迎来进一步增长 。物联网感知层的核心部件 是传感器系统，产品需要从现实世界中采集图像、温度、声音等多种信息，以实现对于所处场景的 智能分析。感知需要向设备中植入大量的 MEMS 芯片，例如麦克风、陀螺仪、加速度计等；设备 互通互联需要大量的通信芯片，包括蓝牙、WIFI、蜂窝网等；物联网时代终端数量和数据传输通道 数量大幅增加，安全性成为最重要的需求之一，为了避免产品受到恶意攻击，需要各种类型的安全 芯片作支持；同时，身份识别能够保障信息不被盗用，催生了对于虹膜识别和指纹识别芯片的需求； 作为物联网终端的总控制点，MCU 芯片更是至关重要，根据 IC Insights 的预测，2018 年 MCU 市 场规模增长 11%，预计未来四年内 CAGR 达 7.2%，到 2022 年将超过 240 亿美元。
4.1 国内 IC 设计企业快速增长，代工需求进一步放量
国内集成电路需求旺盛，有望持续维持快速增长。 国内集成电路市场需求旺盛，从 2013 年的 820 亿美元快速增长到 2018 年的 1550 亿美元，CAGR 为 13.6%，IC insight 预测，到 2023 年，中国 集成电路市场需求有望达到 2290 亿美元，CAGR 为 8%。但是同时，国内集成电路自给率也严重 不足，2018 年仅为 15%，IC insight 在 2019 年预测，到 2023 年，国内集成电路自给率为 20%。
需求驱动，国内 IC 设计快速成长。 在市场巨大的需求驱动下，国内 IC 设计企业数量快速增加，尤 其近几年，在国内政策的鼓励下，以及中美贸易摩擦大的背景下，IC 设计企业数量加速增加，2019 年底，国内 IC 设计企业数量已经达到了 1780 家，2010-2019 年，CAGR 为 13%。根据中芯国际 的数据，国内 IC 设计公司营收 2020 年有望达到 480 亿美元，2011-2020 年 CAGR 为 24%，远 高于同期国际 4%的复合增长率。
国内已逐步形成头部 IC 设计企业。 根据中国半导体行业协会的统计，2019 年营收前十的入围门槛 从 30 亿元大幅上升到 48 亿元，这十大企业的增速也同样十分惊人，达到 47%。国内 IC 企业逐步 做大做强，部分领域已经形成了一些头部企业：手机 SoC 芯片领域有华为海思、中兴微电子深度 布局；图像传感领域韦尔豪威大放异彩；汇顶 科技 于 2019 年引爆了光学屏下指纹市场；卓胜微、 澜起 科技 分别在射频开关和内存接口领域取得全球领先。IC 设计企业快速成长有望保持对晶圆代 工的强劲需求。
晶圆代工自给率不足。 中国是全球最大的半导体需求市场，根据中芯国际的预测，2020 年中国对 半导体产品的需求为 2130 亿美元，占全球总市场份额为 49%，但是与之相比的是晶圆代工市场份 额严重不足，根据拓墣研究的数据，2020Q2，中芯国际和华虹半导体份额加起来才 6%，晶圆代 工自给率严重不足，尤其考虑到中国 IC 设计企业数量快速增长，未来的需求有望持续增长，而且， 美国对华为等企业的禁令，更是让我们意识到了提升本土晶圆代工技术和产能的重要性。
4.2政策与融资支持，中国晶圆代工企业迎来良机（略）
晶圆代工需求不断增长，但国内自给严重不足，受益需求与国内政策双重驱动，国内晶圆代工迎来 良机。建议关注：国内晶圆代工龙头，突破先进制程瓶颈的中芯国际-U、特色化晶 圆代工与功率半导体 IDM 双翼发展的华润微华润微、坚持特色工艺，盈利能力强的华虹半导体华虹半导体。
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（报告观点属于原作者，仅供参考。作者：东方证券，蒯剑、马天翼）
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半导体设备，即在芯片制造和封测流程中应用到的设备，广义上也包括生产半导体原材料所需的机器设备。在整个芯片制造和封测过程中，会经过上千道加工工序，涉及到的设备种类大体有九大类，细分又可以划出百种不同的机台，占比较大市场份额的主要有：光刻机、刻蚀机、薄膜沉积设备、离子注入机、测试机、分选机等。
半导体行业周期性带来新动能
从全球半导体发展情况来看，受宏观经济变化及技术革新影响，半导体行业存在周期性。2017-2019年，全球半导体行业来到了下滑周期。2019年，全球固态存储及智能手机、PC需求增长放缓，全球贸易摩擦升温，导致全球半导体需求市场下滑，全年销售额为4121亿美元，同比下降12.1%。进入2020年，有5G商用化、数据中心、物联网、智慧城市、汽车电子等一系列新技术及市场需求做驱动，将给予半导体行业新的动能。
全球半导体设备市场规模约600亿美元
根据国际半导体产业协会SEMI统计数据显示，近年来全球半导体设备销售额呈波动态势，2019年为597.5亿美元，比2018年的645.3亿美元的历史高点下降了7.4%。2020年一季度，全球半导体设备销售额为155.7亿美元，比2019年第四季度减少13%，但与2019年一季度相比，增长了13%。半导体设备总市值虽仅几百亿美元，但其是半导体制造的基石，支撑着全球上万亿的电子软硬件大生态，设备对整个半导体行业有着放大和支撑作用，确立了整个半导体产业可达到的硬性尺寸标准边际值。
前道设备占据主要市场份额
从半导体的制造流程来看，前道流程较多，涉及的设备种类也较多。在一个新晶圆投资建设中，设备投资一般占70-80%。而按工艺流程分类，在新晶圆的设备投资中，晶圆加工的前道设备占据主要的市场份额，约80%封测设备占据约18%的比重。
市场主要集中在中国台湾及大陆地区
近些年，在全球半导体设备消费市场中，中国大陆，中国台湾，韩国这三大市场一直排在前三位。其中，中国大陆最具发展潜力，从前些年的第三，到最近一年的第二，一直处于上升态势。
具体来看，2019年，中国台湾是半导体设备的最大市场，销售额增长了68%，达到171.2亿美元，占全球市场的比重为28.65%。中国大陆则以134.5亿美元的销售额保持其第二大设备市场的地位，占比为22.51%。排名第三的是韩国，销售额为99.7亿美元，同比下降44%，占比为16.69%。
2020年一季度，排名前三的仍是中国台湾、中国大陆以及韩国，销售额占比分别为25.82%、22.48%、21.58%。
日美荷品牌占领前位
目前全球半导体设备市场集中度较高，以美国、荷兰、日本为代表的TOP10企业垄断了全球半导体设备市场90%以上的份额。美国著名设备公司应用材料、泛林半导体、泰瑞达、科天半导体合计占据整个设备市场40%以上份额，而且均处于薄膜、刻蚀、前后道检测三大细分领域的绝对龙头地位。技术领先和近半的市场占有率，任何半导体制造企业都很难完全脱离美国半导体设备供应体系。
未来规模预计超千亿
从整体来看，尽管受疫情的影响，半导体行业及半导体设备行业依然逆势增长。存储器支出回升、先进制程投资及中国大陆积极推动半导体投资的背景下，预计2020年全球半导体设备市场将持续保持增长，市场规模预计达到632亿美元，同比增长6%2021年预计达到700亿美元2025年将超千亿美元。
以上数据来源于前瞻产业研究院《中国半导体产业战略规划和企业战略咨询报告》。
随着绿色低碳战略的不断推进,提升能源利用效率和能源转换效率已经成为各行各业的共识,如何利用现代化新技术建成可循环的高效、高可靠性的能源网络,无疑是当前各国重点关注的问题。
值此背景下,以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体成为市场聚焦的新赛道。根据Yole预测数据, 2025年全球以半绝缘型衬底制备的GaN器件市场规模将达到20亿美元,2019-2025年复合年均增长率高达12%! 其中,军工和通信基站设备是GaN器件主要的应用市场,2025年市场规模分别为11.1亿美元和7.31亿美元
全球以导电型碳化硅衬底制备的SiC器件市场规模到2025年将达到25.62亿美元,2019- 2025年复合年均增长率高达30%! 其中,新能源汽车和光伏及储能是SiC器件主要的应用市场, 2025年市场规模分别为15.53亿美元和3.14亿美元。
本文中,我们将针对第三代半导体产业多个方面的话题,与国内外该领域知名半导体厂商进行探讨解析。
20世纪50年代以来,以硅(Si)、锗(Ge)为代的第一代半导体材料的出现,取代了笨重的电子管,让以集成电路为核心的微电子工业的发展和整个IT产业的飞跃。人们最常用的CPU、GPU等产品,都离不开第一代半导体材料的功劳。可以说是由第一代半导体材料奠定了微电子产业的基础。
然而由于硅材料的带隙较窄、电子迁移率和击穿电场较低等原因,硅材料在光电子领域和高频高功率器件方面的应用受到诸多限制。因此,以砷化镓(GaAs)为代表的第二代半导体材料开始崭露头角,使半导体材料的应用进入光电子领域,尤其是在红外激光器和高亮度的红光二极管方面。与此同时,4G通信设备因为市场需求增量暴涨,也意味着第二代半导体材料为信息产业打下了坚实基础。
在第二代半导体材料的基础上,人们希望半导体元器件具备耐高压、耐高温、大功率、抗辐射、导电性能更强、工作速度更快、工作损耗更低特性,第三代半导体材料也正是基于这些特性而诞生。
笔者注意到,对于第三代半导体产业各家半导体大厂的看法也重点集中在 “高效”、“降耗”、“突破极限” 等核心关键词上。
安森美中国汽车OEM技术负责人吴桐博士 告诉笔者: “第三代半导体优异的材料特性可以突破硅基器件的应用极限,同时带来更好的性能,这也是未来功率半导体最主流的方向。” 他表示随着第三代半导体技术的普及,传统成熟的行业设计都会有突破点和优化的空间。
英飞凌科技电源与传感系统事业部大中华区应用市场总监程文涛 则从能源角度谈到,到2025年,全球可再生能源发电量有望超过燃煤发电量,将推动第三代半导体器件的用量迅速增长。 在用电端,由于数据中心、5G通信等场景用电量巨大,节电降耗的重要性凸显,也将成为率先采用第三代半导体器件做大功率转换的应用领域。
第三代半导体材料区别于前两代半导体材料最大的区别就在于带隙的不同。 第一代半导体材料属于间接带隙,窄带隙第二代半导体材料属于直接带隙,同样也是窄带隙二第三代半导体材料则是全组分直接带隙,宽禁带。
和前两代半导体材料相比,更宽的禁带宽度允许材料在更高的温度、更强的电压与更快的开关频率下运行。
随着碳化硅、氮化镓等具有宽禁带特性(Eg>2.3eV)的新兴半导体材料相继出现,世界各国陆续布局、产业化进程快速崛起。具体来看:
与硅相比, 碳化硅拥有更为优越的电气特性 :
1.耐高压 :击穿电场强度大,是硅的10倍,用碳化硅制备器件可以极大地 提高耐压容量、工作频率和电流密度,并大大降低器件的导通损耗
2.耐高温 :半导体器件在较高的温度下,会产生载流子的本征激发现象,造成器件失效。禁带宽度越大,器件的极限工作温度越高。碳化硅的禁带接近硅的3倍,可以保证碳化硅器件在高温条件下工作的可靠性。硅器件的极限工作温度一般不能超过300℃,而碳化硅器件的极限工作温度可以达到600℃以上。同时,碳化硅的热导率比硅更高,高热导率有助于碳化硅器件的散热,在同样的输出功率下保持更低的温度,碳化硅器件也因此对散热的设计要求更低,有助于实现设备的小型化
3.高频性能 :碳化硅的饱和电子漂移速率是硅的2倍,这决定了碳化硅器件可以实现更高的工作频率和更高的功率密度。基于这些优良的特性,碳化硅衬底的使用极限性能优于硅衬底,可以满足高温、高压、高频、大功率等条件下的应用需求,已应用于射频器件及功率器件。
氮化镓则具有宽禁带、高电子漂移速度、高热导率、耐高电压、耐高温、抗腐蚀、耐辐照等突出优点。 尤其是在光电子器件领域,氮化镓器件作为LED照明光源已广泛应用,还可制备成氮化镓基激光器在微波射频器件方面,氮化镓器件可用于有源相控阵雷达、无线电通信、基站、卫星等军事 或者民用领域氮化镓也可用于功率器件,其比传统器件具有更低的电源损耗。
半导体行业有个说法: “一代材料,一代技术,一代产业” ,在第三代半导体产业规模化出现之前,也还存在着不少亟待解决的技术难题。
第三代半导体全产业链十分复杂,包括衬底→外延→设计→制造→封装。 其中,衬底是所有半导体芯片的底层材料,起到物理支撑、导热、导电等作用外延是在衬底材料上生长出新的半导体晶层,这些外延层是制造半导体芯片的重要原料,影响器件的基本性能设计包括器件设计和集成电路设计,其中器件设计包括半导体器件的结构、材料,与外延相关性很大制造需要通过光刻、薄膜沉积、刻蚀等复杂工艺流程在外延片上制作出设计好的器件结构和电路封装是指将制造好的晶圆切割成裸芯片。
前两个环节衬底和外延生长正是第三代半导体生产工艺及其难点所在。我们重点挑选碳化硅、氮化镓两种典型的第三代半导体材料来看,它们的生产制备到底还面临哪些问题。
从碳化硅来看,还需要“降低衬底生长缺陷,以及提高工艺效率” 。首先碳化硅单晶制备目前最常用的是物理气相输运法(PVT)或籽晶的升华法,而碳化硅单晶在形成最终的短圆柱状之前,还需要通过机械加工整形、切片、研磨、抛光等化学机械抛光和清洗等工艺才能成为衬底材料。
这一机械、化学制造过程存在着加工困难、制造效率低、制造成本高等问题。此外,如果再加上考虑单晶加工的效率和成本问题,那还能够保障晶片具备良好的几何形貌,如总厚度变化、翘曲度、变形,而且晶片表面质量(粗糙度、划伤等)是否过关等,这都是碳化硅衬底制备中的巨大挑战。
此外,碳化硅材料是目前仅次于金刚石硬度的材料,材料的机械加工主要以金刚石磨料为基础切割线、切割刀具、磨削砂轮等工具。这些工具的制备难度大,使用寿命短,加工成本高,为了延长工具寿命、提高加工质量,往往会采用微量或极低速进给量,这就牺牲了碳化硅材料制备的整体生产效率。
对于氮化镓来说,则更看重“衬底与外延材料需匹配”的难题 。由于氮化镓在高温生长时“氮”的离解压很高,很难得到大尺寸的氮化镓单晶材料,当前大多数商业器件是基于异质外延的,比如蓝宝石、AlN、SiC和Si材料衬底来替代氮化镓器件的衬底。
但问题是这些异质衬底材料和氮化镓之间的晶格失配和热失配非常大,晶格常数差异会导致氮化镓衬底和外延层界面处的高密度位错缺陷,严重的话还会导致位错穿透影响外延层的晶体质量。这也就是为什么氮化镓更看重衬底与外延材料需匹配的难点。
在落地到利用第三代半导体材料去解决具体问题时,程文涛告诉OFweek维科网·电子工程, 英飞凌的碳化硅器件所采用的沟槽式结构解决了大多数功率开关器件的可靠性问题。
比如现在大多数功率开关器件产品采用的是平面结构,难以在开关的效率上和长期可靠性上得到平衡。采用平面结构,如果要让器件的效率提高,给它加点电,就能导通得非常彻底,那么它的门级就需要做得非常薄,这个很薄的门级结构,在长期运行的时候,或者在大批量运用的时候,就容易产生可靠性的问题。
如果要把它的门级做的相对比较厚,就没办法充分利用沟道的导通性能。而采用沟槽式的做法就能够很好地解决这两个问题。
吴桐博士则从产业化的角度提出, 第三代半导体技术的难点在于有关设计技术和量产能力的协调,以及对长期可靠性的保障。尤其是量产的良率,更需要持续性的优化,降低成本,提升可靠性。
观察当前半导体市场可以发现,占据市场九成以上的份额的主流产品依然是硅基芯片。
但近些年来,“摩尔定律面临失效危机”的声音不绝于耳,随着芯片设计越来越先进,芯片制造工艺不断接近物理极限和工程极限,芯片性能提升也逐步放缓,且成本不断上升。
业界也因此不断发出质疑,未来芯片的发展极限到底在哪,一旦硅基芯片达到极限点,又该从哪个方向下手寻求芯片效能的提升呢?笔者通过采访发现,国内外厂商在面对这一问题时,虽然都表达出第三代半导体产业未来值得期待,但也齐齐提到在这背后还需要重点解决的成本问题。
“目前硅基半导体从架构上、从可靠性、从性能的提升等方面,基本上已经接近了物理极限。第三代半导体将接棒硅基半导体,持续降低导通损耗,在能源转换的领域作出贡献,” 程文涛也为笔者描述了当前市场上的一种现象:可能会存在一些定价接近硅基半导体的第三代半导体器件,但并不代表它的成本就接近硅基半导体。因为那是一种商业行为,就是通过低定价来催生这个市场。
以目前的工艺来讲,第三代半导体的成本还是远高于硅基半导体 ,程文涛表示:“至少在可见的将来,第三代半导体不会完全取代第一代半导体。因为从性价比的角度来说,在非常宽的应用范围中,硅基半导体目前依然是不二之选。第三代半导体目前在商业化上的瓶颈就是成本很高,虽然在迅速下降,但依然远高于硅基半导体。”
作为中国碳化硅功率器件产业化的倡导者之一,泰科天润同样也表示对第三代半导体产业发展的看好。
虽然碳化硅单价目前比硅高不少,但从系统整体的角度来看,可以节约电感电容以及散热片。如果是大功率电源系统整体角度看成本未必更高,同时还能更好地提升效率。 这也是为什么现阶段虽然单器件碳化硅比硅贵,依然不少领域客户已经批量使用了。
从器件的角度来看,碳化硅从四寸过度到六寸,未来往八寸甚至十二寸发展,碳化硅器件的成本也将大幅度下降。据泰科天润介绍,公司新的碳化硅六寸线于去年就已经实现批量出货,为客户提供更高性价比的产品,有些产品实现20-30%的降价幅度。除此之外,泰科天润耗时1年多成功开发了碳化硅减薄工艺,在Vf水平不变的情况下,可以缩小芯片面积,进一步为客户提供性价比更高的产品。
泰科天润还告诉笔者:“这两年随着国外友商的缺货或涨价,比如一些高压硅器件,这些领域已经出现碳化硅取代硅的现象。随着碳化硅晶圆6寸产线生产技术的成熟,8寸晶圆的发展,碳化硅器件有望与硅基器件达到相同的价格水平。”
吴桐博士认为, 目前来看在不同的细分市场,第三代半导体跟硅基器件是一个很好的互补,也是价钱vs性能的一个平衡。随着第三代半导体的成熟以及成本的降低,最终会慢慢取代硅基产品成为主流方案。
那么对于企业而言,该如何发挥第三代半导体的综合优势呢?吴桐博士表示,于安森美而言,首先是要垂直整合,保证稳定的供应链,可长期规划的产能布局以及达到客观的投资回报率其次是在技术研发上继续发力,比如Rsp等参数,相比行业水准,实现用更小的半导体面积实现相同功能,这样单个器件成本得以优化第三是持续地提升FE/BE良率,等效的降低成本第四是与行业大客户共同开发定义新产品,保证竞争力以及稳定的供需关系最后也是重要的一点,要帮助行业共同成长,蛋糕做大,产能做强,才能使得单价有进一步下降的空间。
第三代半导体产业究竟掀起了多大的风口?根据《2020“新基建”风口下第三代半导体应用发展与投资价值白皮书》内容:2019年我国第三代半导体市场规模为94.15亿元,预计2019-2022年将保持85%以上平均增长速度,到2022年市场规模将达到623.42亿元。
其中,第三代半导体衬底市场规模从7.86亿元增长至15.21亿元,年复合增速为24.61%,半导体器件市场规模从86.29亿元增长至608.21亿元,年复合增速为91.73%。
得益于第三代半导体材料的优良特性,它在 光电子、电力电子、通讯射频 等领域尤为适用。具体来看:
光电子器件 包括发光二极管、激光器、探测器、光子集成电路等,多用于5G通信领域,场景包括半导体照明、智能照明、光纤通信、光无线通信、激光显示、高密度存储、光复印打印、紫外预警等
电力电子器件 包括碳化硅器件、氮化镓器件,多用于新能源领域,场景包括消费电子、新能源汽车、工业、UPS、光伏逆变器等
微波射频器件 包括HEMT(高电子迁移率晶体管)、MMIC(单片微波集成电路)等,同样也是用在5G通信领域,不过场景则更加高端,包括通讯基站及终端、卫星通讯、军用雷达等。
现阶段,欧美日韩等国第三代半导体企业已形成规模化优势,占据全球市场绝大多数市场份额。我国高度重视第三代半导体发展,在研发、产业化方面出台了一系列支持政策。国家科技部、工信部等先后开展了“战略性第三代半导体材料项目部署”等十余个专项,大力支持第三代半导体技术和产业发展。
早在2014年,工信部发布的《国家集成电路产业发展推进纲要》提出设立国家产业投资基金,重点支持集成电路等产业发展,促进工业转型升级,同时鼓励社会各类风险投资和股权投资基金进入集成电路领域在去年全国人大发布《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中,进一步强调培育先进制造业集群,推动集成电路、航空航天等产业创新发展。瞄准人工智能、量子信息、集成电路等前沿领域,实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目。
具体来看当前主要应用领域的发展情况:
1.新能源汽车
新能源汽车行业是未来市场空间巨大的新兴市场,全球范围内新能源车的普及趋势明朗。随着电动汽车的发展,对功率半导体器件需求量日益增加,成为功率半导体器件新的经济增长点。得益于碳化硅功率器件的高可靠性及高效率特性,在车载级的电机驱动器、OBC及DC/DC部分,碳化硅器件的使用已经比较普遍。对于非车载充电桩产品, 由于成本的原因,目前使用比例还相对较低,但部分厂商已开始利用碳化硅器件的优势,通过降低冷却等系统的整体成本找到了市场。
2.光伏
光伏逆变器曾普遍采用硅器件,经过40多年的发展,转换效率和功率密度等已接近理论极限。碳化硅器件具有低损耗、高开关频率、高适用性、降低系统散热要求等优点,将在光伏新能源领域得到广泛应用。例如,在住宅和商业设施光伏系统中的组串逆变器里,碳化硅器件在系统级层面带来成本和效能的好处。
3.轨道交通
未来轨道交通对电力电子装置,比如牵引变流器、电力电子电压器等提出了更高的要求。采用碳化硅功率器件可以大幅度提高这些装置的功率密度和工作效率,有助于明显减轻轨道交通的载重系统。目前,受限于碳化硅功率器件的电流容量,碳化硅混合模块将首先开始替代部分硅IGBT模块。未来随着碳化硅器件容量的提升,全碳化硅模块将在轨道交通领域发挥更大的作用。
4.智能电网
目前碳化硅器件已经在中低压配电网开始了应用。未来更高电压、更大容量、更低损耗的柔性输变电将对万伏级以上的碳化硅功率器件具有重大需求。碳化硅功率器件在智能电网的主要应用包括高压直流输电换流阀、柔性直流输电换流阀、灵活交流输电装置、高压直流断路器、电力电子变压器等装置中。
第三代半导体自从在2021年被列入十四五规划后,相关概念持续升温,迅速成为超级风口,投资热度高居不下。
时常会听到业内说法称,第三代半导体国内外都是同一起跑线出发,目前大家差距相对不大,整个产业发展仍处于爆发前的“抢跑”阶段,对国内而言第三代半导体材料更是有望成为半导体产业的“突围先锋”,但事实真的是这样吗?
从起步时间来看,欧日美厂商率先积累专利布局,比如 英飞凌一直走在碳化硅技术的最前沿,从30年前(1992年)开始包含碳化硅二极管在内的功率半导体的研发,在2001年发布了世界上第一款商业化碳化硅功率二极管 ,此后至今英飞凌不断推出了各种性能优异的碳化硅功率器件。除了产品本身,英飞凌在2018年收购了Siltectra,致力于通过冷切割技术优化工艺流程,大幅提高对碳化硅原材料的利用率,有效降低碳化硅的成本。
安森美也是第三代半导体产业布局中的佼佼者,据笔者了解, 安森美通过收购上游碳化硅供应企业GTAT实现了产业链的垂直整合,确保产能和质量的稳定。同时借助安森美多年的技术积累以及几年前收购Fairchild半导体基因带来的技术补充,安森美的碳化硅技术已经进入第三代,综合性能在业界处于领先地位 。目前已成为世界上少数提供从衬底到模块的端到端碳化硅方案供应商,包括碳化硅球生长、衬底、外延、器件制造、同类最佳的集成模块和分立封装方案。
具体到技术上, 北京大学教授、宽禁带半导体研究中心主任沈波 也曾提出,国内第三代半导体和国际上差距比较大,其中很重要的领域之一是碳化硅功率电子芯片。这一块国际上已经完成了多次迭代,虽然8英寸技术还没投入量产,但是6英寸已经是主流技术,二极管已经发展到了第五代,三极管也发展到了第三代,IGBT也已进入产业导入前期。
另外车规级的碳化硅MOSFET模块在意法半导体率先通过以后,包括罗姆、英飞凌、科锐等国际巨头也已通过认证,国际上车规级的碳化硅芯片正逐渐走向规模化生产和应用。反观国内,目前真正量产的主要还是碳化硅二极管,工业级MOSFET模块估计到明年才能实现规模量产,车规级碳化硅模块要等待更长时间才能量产。
泰科天润也直言,国内该领域仍处于后发追赶阶段:器件方面,从二极管的角度, 国产碳化硅二极管基本上水平和国外差距不大,但是碳化硅MOSFET国内外差距还是有至少1-2代的差距 可靠性方面,国外碳化硅产品市场应用推广较早,积累了更加丰富的应用经验,对产品可靠性的认知,定义以及关联解决可靠性的方式都走得更前一些,国内厂家也在推广市场的过程中逐步积累相关经验产业链方面,国外厂家针对碳化硅的材料优势,相关匹配的产业链都做了对应的优化设计,使之能更加契合的体现碳化硅的材料优势。
OFweek维科网·电子工获悉,泰科天润在湖南新建的碳化硅6寸晶圆产线,第一期60000片/六寸片/年。此产线已经于去年实现批量出货,2022年始至4月底已经接到上亿元销售订单。 作为国内最早从事碳化硅芯片生产研发的公司,泰科天润积累了10余年的生产经验,针对特定领域可以结合自身的研发,生产和工艺一体化,快速为客户开发痛点新品 ,例如公司全球首创的史上最小650V1A SOD123,专门针对解决自举驱动电路已经替换高压小电流Si FRD解决反向恢复的痛点问题而设计。
虽然说IDM方面,我国在碳化硅器件设计方面有所欠缺,少有厂商涉及于此,但后发追赶者也不在少数。
就拿碳化硅产业来看,单晶衬底方面国内已经开发出了6英寸导电性碳化硅衬底和高纯半绝缘碳化硅衬底。 山东天岳、天科合达、河北同光、中科节能 均已完成6英寸衬底的研发,中电科装备研制出6英寸半绝缘衬底。
此外,在模块、器件制造环节我国也涌现了大批优秀的企业,包括 三安集成、海威华芯、泰科天润、中车时代、世纪金光、芯光润泽、深圳基本、国扬电子、士兰微、扬杰科技、瞻芯电子、天津中环、江苏华功、大连芯冠、聚力成半导体 等等。
OFweek维科网·电子工程认为,随着我国对新型基础建设的布局展开和“双碳”目标的提出,碳化硅和氮化稼等第三代半导体的作用也愈发凸显。
上有国家支持政策,下有新能源汽车、5G通信等旺盛市场需求, 我国第三代半导体产业也开始由“导入期”向“成长期”过渡,初步形成从材料、器件到应用的全产业链。但美中不足在于整体技术水平还落后世界顶尖水平好几年,因此在材料、晶圆、封装及应用等环节的核心关键技术和可靠性、一致性等工程化应用问题上还需进一步完善优化。
当前,全球正处于新一轮科技和产业革命的关键期,第三代半导体产业作为新一代电子信息技术中的重点组成部分,为能源革命带来了深刻的改变。
在此背景下,OFweek维科网·电子工程作为深耕电子产业领域的资深媒体,对全球电子产业高度关注,紧跟产业发展步伐。为了更好地促进电子工程师之间技术交流,推动国内电子行业技术升级,我们继续联袂数十家电子行业企业技术专家,推出面向电子工程师技术人员的专场在线会议 「OFweek 2022 (第二期)工程师系列在线大会」 。
本期在线会议将于6月22日在OFweek官方直播平台举办,将邀请国内外知名电子企业技术专家,聚焦半导体领域展开技术交流,为各位观众带来技术讲解、案例分享和方案展示。
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