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半导体板块研究系列(一):硅片、外延片概述

作者:每日研讨纪要
半导体板块研究系列(一):硅片、外延片概述

在正式开始之前,先做一下风险提示:

本文所有内容均是产业研究和公司研究的案例,不构成任何投资建议,不构成任何投资推荐。另外还有三点值得注意:

1.短期价格波动几乎不可预测。但巨大利益驱使下市场上会充斥神预测。

2.再好的生意,如果基本条件发生大的变化以及幸存者偏差普遍存在的情况下,也有失败的风险。

3.估值过高的好公司,随着流动性收紧,如果利润增长没有达到预期,也有可能长期回调。

半导体是指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料,是诸多电子产品的核心部件。半导体行业是支撑经济社会发展、保障国家安全的战略性、基础性、先导性产业,其下游是移动通信、计算机、汽车电子、医疗电子、工业电子、人工智能、航空航天等行业。

半导体硅片是半导体器件的主要载体。硅片是半导体产业的上游原料,下游产业通过对硅片 进行光刻、刻蚀、离子注入等加工,可将硅片制成各类半导体器件用于后续加工,如集成电 路、二极管、功率器件等。硅片作为半导体材料绝缘性好,制成的半导体器件稳定性高,因而已被半导体产业所广泛使用。 据 SEMI 统计,2020 年全球晶圆制造材料市场总额达 349 亿美元。其中,硅片和硅基材料的销售额占比达到 36.64%,销售额约为 128 亿元。半导体硅片在晶圆制造材料市场中占比最高,是半导体制造的核心材料。

半导体板块研究系列(一):硅片、外延片概述

1.分类

在集成电路制造中所使用的晶圆均为单晶硅片,可以分为抛光片、外延片、绝缘体上硅SOI三大类。

半导体板块研究系列(一):硅片、外延片概述

外延片是半导体材料的一种,是在衬底上做好外延层的硅片。外延生长(通常亦简称外延) 是半导体材料和器件制造的重要工艺之一。外延片决定器件约70%的性能,是半导体芯片的重要原材料。

外延生长就是在一定条件下,在经过仔细制备的单品衬底上,沿着原来的结晶方向生长出一层导电类型电阻率、 厚度和晶格结构、完整性等都符合要求的新单晶层的工艺过程,所生长的单晶层称为外延层。目前市场保有量较大的外延片为GaAs、GaN和SiC外延片。

只有体单晶材料难以满足日益发展的各种半导体器件制作的需要。因此,1959年末开发了薄层单晶材料生长及外延生长。在电阻极低的衬底上生长一层高电阻率外延层,器件制作在外延层上,这样高电阻率的外延层保证了管子有高的击穿电压,而低电阻的衬底又降低了基片的电阻,从而降低了饱和压降,从而解决了二者的矛盾。 此外,GaAs等Ⅲ-Ⅴ族、Ⅱ-Ⅵ族以及其他分子化合物半导体材料的气相外延、液相外延等外延技术也都得到很大的发展,已成为绝大多数书微波器件、光电器件、功率器件等制作不可缺少的工艺技术,特别是分子束、金属有机气相外延技术在薄层、超晶格、量子阱、应变超晶格、原子级薄层外延方面的成功应用,为半导体研究的新领域“能带工程”的开拓打下了夯实的基础。

外延层与基板可以是相同物质,也可以是不同物质,称前者为同质外延(homoepitaxy),后者为异质外延(heteroepitaxy)。按原料物质的供应方式不同,有气相外延、液相外延、固相外延之分,在气相外延中又有化学生长法和物理生长法。下图表示外延(epitaxy)技术的分类。

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SOI(绝缘体上硅):绝缘体上硅又称 SOI,是一种新型结构的硅材料。SOI呈三明治结构,最上面是顶层硅,中间是掩埋氧化层(BOX),下方是硅衬底。制备 SOI 的技术主要有注氧隔离(SIMOX)、键合减薄(BESOI)和智能剥离(Smart-Cut)等,当前最主流的技术是智能剥离。

SOI 的优势有很多,包括速度高、功耗低、成本低、抗辐照特性好等。其中,SOI 最为重要的优势在于,它可以通过氧化层实现高电绝缘性,进而大大减少硅片的寄生电容以及漏电现象。随着半导体制程工艺不断演进,SOI 方案的优势逐渐凸显。

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2.市场情况

据 Marketsand Markets 预估,SOI市场在2017至 2022 年期间平均复合成长率将达 29.1%,2022 年市场价值将有望达到 18.6 亿美元。

全球的硅片供应商主要是日本信越和SUMCO、中国台湾的环球晶圆、德国的Silitrnic以及韩国的LG,这五大供应商的市场份额合计高达92%以上。近年来随着大陆多个晶圆硅片厂相继投产,国内硅片的供需缺口不断缩小,也推动着国内半导体产业链的发展。

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