半导体衬底行业在新技术方面的发展情况与未来发展趋势

半导体衬底行业在新技术方面的发展情况与未来发展趋势 一、 市场与消费者市场 1、市场 市场是多门学科的研究内容，不同学科有不同的解释。在市场营销学中，市场指有货币支付能力的、有购买愿望的购买者群体。这个定义指明了市场必须具备一个要素：一是购买者群体，二是有购买愿望，三是有货币支付能力，可用公式表示为：市场=人口+购买力+购买愿望。市场规模取决于有购买力、有购买愿望的人数多少。 2、消费者市场 消费者市场是个人或家庭为了生活消费而购买产品和服务所形成的市场。生活消费是产品和服务流通的终点，因而消费者市场也称为最终产品市场。消费者市场是相对于组织市场而言的。组织市场指以某种组织为购买单位的购买者所形成的市场，购买目的是为了生产、销售或履行组织职能。 二、 半导体衬底行业在新技术方面的发展情况与未来发展趋势 （一）III-V族化合物半导体衬底尺寸不断增大 与硅衬底类似，III-V族化合物半导体衬底也在不断向更大尺寸演进。化合物半导体衬底的直径越大，在单片衬底上可制造的芯片数量越多，制造单位芯片的成本也越低。同时，在圆形的衬底上制造矩形的芯片会使衬底边缘处的一些区域无法被利用，而衬底的直径越大，相对而言衬底边缘的损失会越小，有利于进一步降低芯片的成本。降低芯片制造成本对下游芯片和器件企业而言，也是扩大在新兴应用领域产业化规模的关键因素之一。对化合物半导体衬底企业而言，下游客户降低制造芯片成本的需求对扩大化合物半导体衬底直径提出了更高的要求。 当前，全球砷化镓衬底以4-6英寸为主流直径，随着MiniLED以及MicroLED技术的逐渐成熟，其对LED芯片数量的需求将呈几何级数增长，因此砷化镓衬底也开始向8英寸发展，助力MiniLED以及MicroLED产业尽快降低芯片成本，推进其产业化进程；全球磷化铟衬底以2-4英寸为主流直径，在光通信及传感器需求迅速发展的背景下，目前正处于向6英寸衬底发展的过程之中。随着5G通信、新一代显示等下游应用领域迎来新一轮投资周期，下游客户的新建产线很可能向更大尺寸切换，拥有大尺寸III-V族化合物半导体衬底供应能力的企业有望在新一轮产业周期中获得市场先机。 单晶体扩径技术需要综合考虑热场设计、扩径结构设计、晶体制备工艺设计等多方面的工艺控制；更大直径的衬底也对平整度、位错密度、表面颗粒度提出了更高的要求，随着衬底尺寸的扩大，对化合物半导体单晶生长技术和衬底切磨抛洗技术的要求也不断提高。 （二）III-V族化合物半导体单晶体长度不断提升 随着单晶体直径的扩大，单晶体的体积和重量也不断增加，对单晶生长设备、坩埚和工艺控制的要求越高。当前，大直径化合物单晶体的生长长度非常有限，切割后实际可使用的晶体长度更短，导致材料成本居高不下，影响产业链下游的产业化进程。因此，在化合物半导体衬底向大直径发展的同时，大直径单晶体的生长长度也需要不断提升。 （三）III-V族化合物半导体衬底的性能指标持续提升 III-V族化合物半导体衬底的性能会直接影响下游芯片和器件产品的各项性能，尤其是在芯片和器件尺寸不断缩小的趋势下，III-V族化合物半导体衬底的位错密度、电阻率均匀性、平整度、表面颗粒度等核心性能指标将直接影响到器件的良率和成本，影响到其在下游应用领域的产业化进程。在III-V族化合物半导体衬底的生产过程中，对原辅料的品质管控、多晶体合成工艺、单晶体生长过程中的工艺控制、切磨抛及清洗工艺、量测技术、密封包装技术等都会影响到衬底的以上性能指标。衬底厂商需要不断研发新的技术和工艺，以持续提升产品的性能指标，满足下游外延、芯片和器件企业的需求。 三、 PBN材料在晶体生长领域的应用 化合物半导体单晶（比如砷化镓、磷化铟等）的生长需要极其严格的环境，包括温度、原料纯度以及生长容器的纯度和化学惰性等。PBN坩埚是目前化合物半导体单晶生长最为理想的容器。化合物半导体单晶生长方法目前主要有LEC法、HB法和VB法和VGF法等方法，对应的PBN坩埚包括LEC坩埚、VB坩埚和VGF坩埚等。 四、 半导体衬底在人工智能产业的发展趋势 在人工智能领域，目前使用砷化镓衬底制造的VCSEL已应用于3D传感技术中，2017年，苹果首次将VCSEL激光器应用于iPhoneX，用于面容识别，3D传感器迎来了大规模商用的契机。未来，3D传感器的技术将从面容识别向全身识别发展，预计在人工智能领域砷化镓衬底将迎来新的增量需求。 五、 砷化镓衬底行业发展情况 砷化镓产业链上游为砷化镓晶体生长、衬底和外延片生产加工环节。衬底是外延层半导体材料生长的基础，在芯片中起到承载和固定的关键作用。生产砷化镓衬底的原材料包括金属镓、砷等，由于自然界不存在天然的砷化镓单晶，需要通过人工合成制备；砷化镓衬底生产设备主要涉及晶体生长炉、研磨机、抛光机、切割机、检测与测试设备等。 砷化镓产业链下游应用主要涉及5G通信、新一代显示（MiniLED、MicroLED）、无人驾驶、人工智能、可穿戴设备等多个领域。 全球砷化镓衬底市场集中度较高，根据Yole统计，2019年全球砷化镓衬底市场主要生产商包括Freiberger、Sumitomo和北京通美，其中Freiberger占比28%、Sumitomo占比21%、北京通美占比13%。 目前砷化镓晶体主流生长工艺包括LEC法、HB法、VB法以及VGF法等，其中Sumitomo砷化镓单晶生产以VB法为主，Freiberger以VGF和LEC法为主，而北京通美则以VGF法为主。 得益于下游应用市场需求持续旺盛，砷化镓衬底市场规模将持续扩大。根据Yole测算，2019年全球折合二英寸砷化镓衬底市场销量约为2，000万片，预计到2025年全球折合二英寸砷化镓衬底市场销量将超过3，500万片；2019年全球砷化镓衬底市场规模约为2亿美元，预计到2025年全球砷化镓衬底市场规模将达到3．48亿美元，2019-2025年复合增长率9．67%。 六、 砷化镓衬底下游射频器件需求情况 射频器件是实现信号发送和接收的关键器件，射频器件主要包括功率放大器、射频开关、滤波器、数模/模数转换器等器件，其中，功率放大器是放大射频信号的器件，其直接决定移动终端和基站的无线通信距离和信号质量。由于砷化镓具有高电子迁移率和高饱和电子速率的显著优势，因此砷化镓一直是制造射频功率放大器的主流衬底材料之一。4G时代起，4G基站建设及智能手机持续普及，用于制造智能手机射频器件的砷化镓衬底需求量开始上升。进入5G时代之后，5G通信对功率、频率、传输速度提出了更高的要求，使用砷化镓衬底制造的射频器件非常适合应用于长距离、长通信时间的高频电路中，因此，在5G时代的射频器件中，砷化镓的材料优势更加显著。随着5G基站建设的大量铺开，将对砷化镓衬底的需求带来新的增长动力；与此同时，单部5G手机所使用的射频器件数量将较4G手机大幅增加，也将带来对砷化镓衬底需求的增长。 伴随5G通信技术的快速发展与不断推广，5G基站建设以及5G手机的推广将使砷化镓基射频器件稳步增长。根据Yole预测，2025年全球射频器件砷化镓衬底（折合二英寸）市场销量将超过965．70万片，2019-2025年年均复合增长率为6．32%。2025年全球射频器件砷化镓衬底市场规模将超过9，800万美元，2019-2025年年均复合增长率为5．03%。 七、 III-V族化合物半导体材料生产工艺 III-V族化合物半导体材料生产需要经过多晶合成、单晶生长后再经过切割、磨边、研磨、抛光、清洗等多道工艺后真空封装成品，其中多晶合成、单晶晶体生长是核心工艺。 多晶合成：化合物半导体材料是由两种或两种以上元素以确定的原子配比形成的化合物，由于自然界中不存在天然的磷化铟、砷化镓多晶，因此首先需要通过人工合成制备该等化合物多晶，将两种高纯度的单质元素按一定比例装入PBN坩埚中，在高温高压环境下合成化合物多晶。 单晶生长：化合物半导体单晶生长的制备方法有水平布里奇曼法（HB）、垂直布里奇曼法（VB）、液封切克劳斯基法（LEC）、垂直梯度冷凝法（VGF）。单晶目前主流应用使用的III-V族化合物半导体衬底一般为2-6英寸，因此，目前VGF法生产单晶是主流且最为高效的方法之一。相较其他方法而言VGF法的先进之处以下：①在单晶直径上，目前HB法生长的单晶直径最大一般是3英寸，LEC法生长的单晶直径最大可以到12英寸，但是使用LEC法生长单晶晶体设备投入成本高，且生长的晶体不均匀且位错密度大。目前VGF法和VB法生长的单晶直径最大可达8英寸，生长的晶体较为均匀且位错密度较低。②在单晶质量上，相较其他方法VGF法生长的晶体位错密度低且生产效率稳定。③在生产成本上，HB法的成本最低，LEC法的成本最高，VB法和VGF法生产的产品性能类似，但是VGF法取消了机械传动结构，能以更低成本稳定生产单晶。 八、 磷化铟下游应用情况 磷化铟是III-V族半导体材料，其最早于20世纪60年代应用于航天太阳能电池中，1969年，磷化铟首次被用于二极管中，20世纪80年代，磷化铟首次被用于晶体管中。20世纪90年代，磷化铟被用于电信用电吸收调制激光器中，因其具有饱和电子漂移速度高、发光损耗低的特点，在光电芯片衬底材料中拥有特殊的优势，磷化铟开始在光通信市场实现商业化应用，成为光模块半导体激光器和接收器的关键材料。 此外，由于磷化铟具有高频低噪、击穿电压高等特点，随着高电压大功率器件的应用频率提升，磷化铟在2010年以来开始应用于雷达激光器件和射频器件。 九、 市场细分战略的产生与发展 市场细分是1956年由美国营销学者温德尔，斯密于《产品差异和市场细分——可供选择的两种市场营销战略》一文中，在总结西方企业营销实践经验的基础上提出的。市场细分不单纯是一个抽象理论，而且具有很强的实践性，顺应了第二次世界大战以后美国众多产品市场转化为买方市场这一新的形势，是现代企业营销观念的一大进步。从总体上看，不同的市场条件和环境，从根本上决定企业的营销战略。 市场细分理论和实践的发展经历了以下几个阶段。 （一）大量营销阶段 早在19世纪末20世纪初，即资本主义工业革命阶段，整个社会经济发展的中心和特点是强调速度和规模，市场以卖方为主导。在卖方市场条件下，企业市场营销的基本方式是大量营销，即大批量生产品种、规格单一的产品，并且通过广泛、普遍的分销渠道销售产品。在这样的市场环境下，大量营销的方式降低了产品的成本和价格，获得了较丰厚的利润。企业没有必要研究市场需求，市场细分战略也不可能产生。 （二）产品差异化营销阶段 20世纪30年代，发生了震撼世界的资本主义经济危机，西方企业面临产品严重过剩，市场迫使企业转变经营观念。营销方式从大量营销向产品差异化营销转变，即向市场推出许多与竞争者在质量、外观、性能和品种等方面不同的产品。产品差异化营销较大量营销是一种进步，但是由于企业仅仅考虑自己现有的设计、技术能力，忽视对顾客需求的研究，缺乏明确的目标市场，因此产品营销的成功率依然很低。由此可见，在产品差异化营销阶段，企业仍然没有重视对市场需求的研究，市场细分仍然缺乏产生的基础和条件。 （三）目标营销阶段 20世纪50年代以后，在科学技术革命的推动下，生产力水平大幅度提高，产品日新月异，生产与消费的矛盾日益尖锐，以产品差异化为中心的推销体制远远不能解决西方企业所面临的市场问题。于是，市场迫使企业再次转变经营观念和经营方式，由产品差异化营销转向以市场需求为导向的目标营销，即企业在研究市场和细分市场的基础上，结合自身的资源与优势，选择其中最有吸引力和最能有效为之提供产品和服务的细分市场作为目标市场，设计与目标市场需求特点相互匹配的营销组合。市场细分战略应运而生。 市场细分理论的产生，使传统营销观念发生根本性的变革，在理论和实践中都产生了极大影响，被西方理论家称之为“市场营销革命”。 市场细分理论产生后经历了不断完善的过程。最初，随着“以消费者为中心”的营销理念日渐深入人心以及个性化消费时代的到来，企业把市场不