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半導體闆塊研究系列(一):矽片、外延片概述

作者:每日研讨紀要
半導體闆塊研究系列(一):矽片、外延片概述

在正式開始之前,先做一下風險提示:

本文所有内容均是産業研究和公司研究的案例,不構成任何投資建議,不構成任何投資推薦。另外還有三點值得注意:

1.短期價格波動幾乎不可預測。但巨大利益驅使下市場上會充斥神預測。

2.再好的生意,如果基本條件發生大的變化以及幸存者偏差普遍存在的情況下,也有失敗的風險。

3.估值過高的好公司,随着流動性收緊,如果利潤增長沒有達到預期,也有可能長期回調。

半導體是指常溫下導電性能介于導體與絕緣體之間的材料,是諸多電子産品的核心部件。半導體行業是支撐經濟社會發展、保障國家安全的戰略性、基礎性、先導性産業,其下遊是移動通信、計算機、汽車電子、醫療電子、工業電子、人工智能、航空航天等行業。

半導體矽片是半導體器件的主要載體。矽片是半導體産業的上遊原料,下遊産業通過對矽片 進行光刻、刻蝕、離子注入等加工,可将矽片制成各類半導體器件用于後續加工,如內建電 路、二極管、功率器件等。矽片作為半導體材料絕緣性好,制成的半導體器件穩定性高,因而已被半導體産業所廣泛使用。 據 SEMI 統計,2020 年全球晶圓制造材料市場總額達 349 億美元。其中,矽片和矽基材料的銷售額占比達到 36.64%,銷售額約為 128 億元。半導體矽片在晶圓制造材料市場中占比最高,是半導體制造的核心材料。

半導體闆塊研究系列(一):矽片、外延片概述

1.分類

在內建電路制造中所使用的晶圓均為單晶矽片,可以分為抛光片、外延片、絕緣體上矽SOI三大類。

半導體闆塊研究系列(一):矽片、外延片概述

外延片是半導體材料的一種,是在襯底上做好外延層的矽片。外延生長(通常亦簡稱外延) 是半導體材料和器件制造的重要工藝之一。外延片決定器件約70%的性能,是半導體晶片的重要原材料。

外延生長就是在一定條件下,在經過仔細制備的單品襯底上,沿着原來的結晶方向生長出一層導電類型電阻率、 厚度和晶格結構、完整性等都符合要求的新單晶層的工藝過程,所生長的單晶層稱為外延層。目前市場保有量較大的外延片為GaAs、GaN和SiC外延片。

隻有體單晶材料難以滿足日益發展的各種半導體器件制作的需要。是以,1959年末開發了薄層單晶材料生長及外延生長。在電阻極低的襯底上生長一層高電阻率外延層,器件制作在外延層上,這樣高電阻率的外延層保證了管子有高的擊穿電壓,而低電阻的襯底又降低了基片的電阻,進而降低了飽和壓降,進而解決了二者的沖突。 此外,GaAs等Ⅲ-Ⅴ族、Ⅱ-Ⅵ族以及其他分子化合物半導體材料的氣相外延、液相外延等外延技術也都得到很大的發展,已成為絕大多數書微波器件、光電器件、功率器件等制作不可缺少的工藝技術,特别是分子束、金屬有機氣相外延技術在薄層、超晶格、量子阱、應變超晶格、原子級薄層外延方面的成功應用,為半導體研究的新領域“能帶工程”的開拓打下了夯實的基礎。

外延層與基闆可以是相同物質,也可以是不同物質,稱前者為同質外延(homoepitaxy),後者為異質外延(heteroepitaxy)。按原料物質的供應方式不同,有氣相外延、液相外延、固相外延之分,在氣相外延中又有化學生長法和實體生長法。下圖表示外延(epitaxy)技術的分類。

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SOI(絕緣體上矽):絕緣體上矽又稱 SOI,是一種新型結構的矽材料。SOI呈三明治結構,最上面是頂層矽,中間是掩埋氧化層(BOX),下方是矽襯底。制備 SOI 的技術主要有注氧隔離(SIMOX)、鍵合減薄(BESOI)和智能剝離(Smart-Cut)等,目前最主流的技術是智能剝離。

SOI 的優勢有很多,包括速度高、功耗低、成本低、抗輻照特性好等。其中,SOI 最為重要的優勢在于,它可以通過氧化層實作高電絕緣性,進而大大減少矽片的寄生電容以及漏電現象。随着半導體制程工藝不斷演進,SOI 方案的優勢逐漸凸顯。

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2.市場情況

據 Marketsand Markets 預估,SOI市場在2017至 2022 年期間平均複合成長率将達 29.1%,2022 年市場價值将有望達到 18.6 億美元。

全球的矽片供應商主要是日本信越和SUMCO、中國台灣的環球晶圓、德國的Silitrnic以及南韓的LG,這五大供應商的市場佔有率合計高達92%以上。近年來随着大陸多個晶圓矽片廠相繼投産,國内矽片的供需缺口不斷縮小,也推動着國内半導體産業鍊的發展。

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