来源:中信证券、半导体科技评论

作者:中信证券徐涛、胡叶倩雯与晏磊

晶圆(wafer) 是制造半导体器件的基础性原材料。 极高纯度的半导体经过拉晶、切片等工序制备成为晶圆，晶圆经过一系列半导体制造工艺形成极微小的电路结构，再经切割、封装、测试成为芯片，广泛应用到各类电子设备当中。 晶圆材料经历了 60 余年的技术演进和产业发展，形成了当今以硅为主、 新型半导体材料为补充的产业局面。

半导体晶圆材料的基本框架

20 世纪 50 年代，锗(Ge)是最早采用的半导体材料，最先用于分立器件中。集成电路的产生是半导体产业向前迈进的重要一步， 1958 年 7 月，在德克萨斯州达拉斯市的德州仪器公司，杰克·基尔比制造的第一块集成电路是采用一片锗半导体材料作为衬底制造的。

半导体产业链流程

但是锗器件的耐高温和抗辐射性能存在短板，到 60 年代后期逐渐被硅(Si) 器件取代。 硅储量极其丰富，提纯与结晶工艺成熟， 并且氧化形成的二氧化硅(SiO2)薄膜绝缘性能好，使得器件的稳定性与可靠性大为提高， 因而硅已经成为应用最广的一种半导体材料。半导体器件产值来看，全球 95%以上的半导体器件和 99%以上的集成电路采用硅作为衬底材料。

2017 年全球半导体市场规模约 4122 亿美元，而化合物半导体市场规模约 200亿美元，占比 5%以内。 从晶圆衬底市场规模看， 2017 年硅衬底年销售额 87 亿美元， GaAs衬底年销售额约 8 亿美元。 GaN 衬底年销售额约 1 亿美元， SiC 衬底年销售额约 3 亿美元。硅衬底销售额占比达 85%+。 在 21 世纪，它的主导和核心地位仍不会动摇。但是 Si 材料的物理性质限制了其在光电子和高频、 高功率器件上的应用。

半导体市场份额(按材料)

20 世纪 90 年代以来，以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)为代表的第二代半导体材料开始崭露头脚。 GaAs、 InP 等材料适用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料，广泛应用于卫星通讯、移动通讯、光通

信、 GPS 导航等领域。但是 GaAs、 InP 材料资源稀缺，价格昂贵，并且还有毒性，能污染环境， InP 甚至被认为是可疑致癌物质，这些缺点使得第二代半导体材料的应用具有很大的局限性。

第三代半导体材料主要包括 SiC、 GaN 等，因其禁带宽度(Eg)大于或等于 2.3 电子伏特(eV)，又被称为宽禁带半导体材料。 和第一代、第二代半导体材料相比，第三代半导体材料具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高键合能等优点，可以满足现代电子技术对高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等恶劣条件的新要求，是半导体材料领域最有前景的材料，在国防、航空、航天、石油勘探、光存储等领域有着重要应用前景，在宽带通讯、太阳能、汽车制造、半导体照明、智能电网等众多战略行业可以降低 50%以上的能量损失，最高可以使装备体积减小 75%以上，对人类科技的发展具有里程碑的意义。

晶圆材料性质比较

化合物半导体是指两种或两种以上元素形成的半导体材料， 第二代、第三代半导体多属于这一类。 按照元素数量可以分为二元化合物、三元化合物、四元化合物等等，二元化合物半导体按照组成元素在化学元素周期表中的位置还可分为 III-V 族、 IV-IV 族、 II-VI 族等。 以砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)为代表的化合物半导体材料已经成为继

硅之后发展最快、应用最广、产量最大的半导体材料。 化合物半导体材料具有优越的性能和能带结构:

(1) 高电子迁移率;

(2) 高频率特性;

(3)宽幅频宽;

(4)高线性度;

(5)高功率;

(6)材料选择多元性;

(7)抗辐射。

因而化合物半导体多用于射频器件、光电器件、功率器件等制造，具有很大发展潜力;硅器件则多用于逻辑器件、存储器等， 相互之间具有不可替代性。

文章来源：《现代电子技术》 网址: http://www.xddzjs.cn/zonghexinwen/2020/1020/548.html