固体中电子的能量是不可以连续取值的，而是一些不连续的能带，要导电就要有自由电子或者空穴存在，自由电子存在的能带称为导带（能导电）。被束缚的电子要成为自由电子，就一定要活得足够能量从价带跃迁到导带，这个能量的最小值就是禁带宽度。
硅原子最外层含有4个电子，硅原子与硅原子之前通过共享电子形成晶体，这个“共享电子”也可以叫做形成化学键。形成化学键后，电子不能自由移动，所以不能导电。
这些形成的化学键的电子的能量是各不相同的，但他们有个特点，都处于一个范围，这个范围就叫价带。
如果这些化学键的电子获得了能量，从里面跑出来了，那它就成了自由电子。电子离开的地方形成了一个空位，所以构成了空穴，这两者都是能导电的。同样的，所有这些自由电子的能量也各不相同，但是它们都处于一个范围，这个范围就叫导带。
可以看到，这个导带和价带中间是有间隔的，这个间隔就是禁带。禁带宽度的大小其实就是反映了价电子被束缚强弱程度的一个物理量。
禁带宽度越大，价电子一定要活得比较高的能量，才能从化合键里面出来成为自由电子。所以禁带宽度越大，能够因为分子热运动成为自由电子的数量越少，导电性能越差。
我们知道，PN结反偏是有漏电流的，这个漏电流是由少子的扩散形成的，虽然很少，但是会有。
也就是说，会有电子从中间的内建电场区经过。并且，电子会在这个区域被加速。
如果电压足够大，场强足够高，那么电子会被加速到较高的能量与原子相撞，原本在化学键里的电子会被撞出来成为自由电子。这个新产生的自由电子又受到电场力加速，去撞击其它的原子产生新的自由电子。
这样“一生二，二生四，子子孙孙无穷尽也”，大量的自由电子产生，电流急剧增大，这也就是“雪崩击穿”。
所以呢，禁带宽度大，能抗住的场强也就越高，耐压也就越高。同等耐压的器件，PN结就能做到更薄，器件也能更小，又会带来寄生电容小的好处，器件也就能在更高的频率工作。
当温度上升，电子更容易获得能量。当温度上升到某些特定的程度的时候，会有很多化学键里面的电子获得足够的能量变成自由电子，这样就破坏了半导体的特性。
试想一下，温度上升，自己产生的载流子比掺杂产生的载流子数量还多，那掺杂也就失去了意义，晶体管的功能也就失效了。
禁带宽度越大，需要升到更高的温度才能使化学键里面的电子变成自由电子，也就是说能工作在更高的温度。
硅的禁带宽度是1.12eV，而碳化硅是3.26eV。所以碳化硅器件比硅器件更耐温，可以到200℃，而硅只能到150℃，传闻金刚石可以工作在500℃。
电子浓度相同的两种半导体材料，在两端施加相同的电压，那个迁移率更大的半导体材料，它里面的电子运动速度越快，单位时间通过的电子数不就越多吗？也就是说，电流越大。
这就说明了电子迁移率越高的半导体材料，电阻率越低，通过相同的电流，损耗越小。
空穴迁移率与电子迁移率一样，空穴迁移率越高，损耗越小。但是一般说来，电子的迁移率是要比空穴要高，因为空穴是电子的空位，空穴的运动，本质上是电子从一个空穴移动到另外一个空穴。
从上表能够正常的看到，硅材料的电子迁移率要比空穴迁移率高几倍，这也是为什么NMOS管比PMOS管用得多的主要原因。
NMOS管在导通时，形成的是N型导电沟道，也就是说用来导电的是电子。而PMOS管导通，形成的是P型导电沟道，用来导电的是空穴。因为电子比空穴的迁移率要高，所以，同体积大小，同掺杂的情况下，NMOS管的损耗要比PMOS管小不少。
从最终的结果能看到，截止频率与电子迁移率成正比。也就是说，电子迁移率越高，做出的NMOS管可以工作在更高的频率。
NMOS管的工作原理，是经过控制导电沟道，以此来控制源漏电流。在栅极加上正电压Vgs，衬底的电子会被带正电的栅极吸引，电子充斥在源端和漏端之间，形成了导电沟道，两边就可以通了。
当Vgs电压以高频率变化的时候，形成的导电沟道的厚薄也会变化。这个导电沟道的变化是通过电子的移动来形成的，电子移动速度越快（电子迁移率越高），那么导电沟道就能更快的响应Vgs的变化。所以说，电子迁移率越高，器件的工作频率越高。
从表中看出，二代半导体GaAs的电子迁移率是8500，InP的电子迁移率是4600，都是比Si的1350大很多。所以二代半导体的特点是用在高频，大功率场合。
在电场比较低的时候，整体电子的漂移速度与电场大小成正比。当电场大到一定值，电子整体的漂移速度不会再增加，达到饱和，这个速度就叫电子的饱和漂移速率。
在芯片制程中，介质层起到了很重要的作用。它不仅在芯片中提供了必要的电气隔离，还在多层互连结构中实现了信号的高效传输。那么目前芯片制程中常见的介质材料有哪些？都有啥作业？怎么界定低k材料与高k材料？怎么制作出来的？
介电常数，一般指相对介电常数，是材料对电场的响应或材料的电介质性质的一个量度，是一个材料在电场中的电荷存储能力的体现。相对介电常数越低，电荷存储能力越弱；相对介电常数越高，电荷储存能力越强。
因此相对介电常数较低的材料就是低k材料，其介电常数通常小于 4.0；相对介电常数较高的材料就是高k材料，其介电常数明显大于 4.0，有时甚至接近或超过 20。
氧化铝是另一种具有潜在用途的栅极绝缘体材料，特别是对于玻璃和柔性基板上的薄膜晶体管 (TFT)，具有相比来说较低的漏电流和良好的热/电稳定性。Al 2 O 3还用于非易失性存储器应用，例如3D-NAND。
主要用于半导体制程中的互连介质层。低k材料可以轻松又有效地降低寄生电容，来提升信号传输速度并减少功耗。
主要用于金属栅氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的栅介质。传统的SiO2栅介质如果过于薄，导致门泄漏电流增加。高k材料可以在较厚的情况下提供与薄的SiO2相当的电场效应，由此减少门泄漏。
一般是运用PVD，CVD的方法，但是有些介质层可以用旋涂的方法来来制作。
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我们已经通过一系列文章对芯片产业链的横向环节和纵向支撑环节进行了介绍。接下来我们将介绍芯片产业链最后一个支撑环节，即半导体材料。半导体材料虽然在晶圆厂成本中占比较小，但对生产的工艺及良率均起到重要影响，为晶圆制造工艺中不可或缺的原材料，其种类翻多，属于耗材类产品。作为上游支撑环节，半导体材料和半导体设备类似，基于芯片产业链制造与封测环节，通常情况下可被分为制造材料与封装材料两类。半导体制造材料是基础制备材料，细致划分领域众多，2021年全球市场规模为404亿美元，其中硅片占比最大（36%） 贯穿制造环节，其次是电子特气和掩膜版实现对半导体IC的清洗、蚀刻与氧化。半导体封装材料的使用贯穿于封测流程始终，存在诸多细分产品，2021年全球市场规模为239亿美元，其中封装基板占比最大（40%）。
考虑到硅片的重要性以及第三代半导体材料发展如火如荼，在本文中我们采取更详细的分法，将半导体制造材料分为基体材料、工艺材料，因此我们将分三个篇章介绍半导体材料，即基体材料、工艺材料和封装材料。三种材料相辅相成缺一不可，其中基体材料（硅片等）为晶圆基底材料。 工艺材料中，掩膜版用于光刻工艺底板； 光刻胶用于将掩膜版上的图案转移到硅片上； 靶材与薄膜工艺前驱体用于薄膜沉积；电子特气用于氧化/还原/除杂；湿电子化学品用于清洗/刻蚀；抛光材料用于实现平坦化。封装材料中，封装基板与引线框架用于保护、支撑芯片及建立芯片与PCB间的连接；键合丝用于连接芯片和引线框架；粘合材料用于芯片贴片；陶瓷封装体用于绝缘打包等。本篇章作为起手篇，我们第一步梳理、介绍半导体基体材料。
半导体基体材料可以说是参与了从制造到封测的所有流程，是集成电路制造中最为基础的原材料。在《半导体系列4行业研究从分类开始》我们讲到半导体按照材料组分可分为第一代、第二代、第三代半导体，半导体基体材料则是由这些半导体材料制造成的晶片（有时也称衬底），是半导体器件的主要载体。具体地，第一代半导体基体包括硅片、锗片；第二代半导体基体主要为砷化镓片、磷化铟片；第三代半导体基体主要为氮化镓片、碳化硅片。
接下来我们将对它们做一个简单的梳理，在此之前我们大家都认为有必要介绍一下三代半导体基体材料的发展阶段和主要区别。从发展阶段来看，半导体基体材料发展至今经历了三个阶段：
1、第一阶段（代表材料：Si，Ge）：20世纪50年代开始，以硅（Si）、锗（Ge）为代表的第一代半导体材料制造成的二极管和晶体管取代了电子管，引发以集成电路为核心的微电子产业的迅速发展，主要使用在于低压、低频、低功率的部分功率器件、集成电路中，并大范围的应用于手机、电脑、平板、可穿戴、电视、航空航天以及新能源车、光伏等产业。
2、第二阶段（代表材料：GaAs，InP）：20世纪90年代开始，随着半导体产业的发展，硅材料的物理瓶颈一天比一天突出，以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）、锑化铟（InSb）、部分三元化合物半导体等为代表的第二代化合物半导体材料崭露头角。第二代半导体材料大多数都用在制作高速、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，大范围的应用于卫星通讯、移动通讯、光通信和GPS导航等领域，代表材料砷化镓和磷化铟。
3、第三阶段（代表材料：SiC、GaN）：近年来，以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、金刚石、氮化铝（AlN）为代表的宽禁带（禁带宽度大于 2.2eV）第三代半导体材料逐渐兴起，其介电常数、导热率及最高工作时候的温度等等关键参数方面具有非常明显优势，能够完全满足电力电子技术对高温、高功率、高压、高频及抗辐射等恶劣工作条件的新要求。代表材料为碳化硅和氮化镓，主要使用在于电力电子、光电子、射频电子等领域。
从三代半导体的区别来看，其物理性质决定了其主要区别和应用领域。如下表所示，由于第二代、第三代半导体的电子迁移率、饱和电子速度较高，因此适用于高频应用。同时第三代半导体的禁带宽度更高，这就使得其有更高的绝缘击穿场强。以SiC为例，其绝缘击穿场强是Si的10倍，因此与Si器件相比，能够以更高的掺杂浓度并且膜厚更薄的漂移层制作出600V～数千V的高压功率器件。
总之，晶圆材料经历了60余年的技术演进和产业高质量发展，形成了当今以硅为主、新型半导体材料为补充的产业局面。Si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，于是发展出了SiC、GaN 等化合物半导体满足了电子技术对高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等恶劣条件的新要求。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，相互之间具有无法替代性质。
硅的储量丰富、成本低、具经济规模，且在8寸及以上晶圆中，Si相比第三代半导体材料更为成熟、可靠性更高。此外，第三代半导体材料的宽禁带、耐高温度高压力、开关频率高优势在逻辑芯片上并不突出（宽禁带的优点是功率而非速度，使用硅材料才可做高速）。因此二者在未来很长一段时间中， 仍会根据各自特性不同，以共存的形式存在。目前硅片仍将维持主流半导体材料的地位。从半导体器件产值来看，全球95%以上的半导体器件采用硅作为衬底材料。
另一方面，在两代化合物半导体材料中，GaAs、InP等化合材料的原料稀缺，需通过合成形成，价格相比来说较高，并且材料本身有毒，以及会造成环境污染，使得其难以被更广泛应用，局限性较大，逐渐被第三代半导体材料取代。根据 Yole 数据显示，第三代半导体渗透率逐年上升，SiC渗透率在2023年有望达到3.75%，GaN渗透率在2023年达到1.0%，第三代半导体渗透率总计4.75%。
硅片主要应用于半导体和光伏领域，其中半导体硅片的制造技术要求更高，下游应用也更广泛，市场价值也更高。 半导体和光伏领域使用的硅片差异主要体现在类型、纯度和表现性质上。从类型来看，半导体硅片均为单晶硅结构，而光伏硅片多晶硅和单晶硅结构都有（目前单晶硅也已逐渐占据主流）。从纯度来看，半导体硅片的纯度要求达9N以上（99.9999999%），区熔单晶硅片纯度要求在11N（99.999999999%）以上，而光伏硅片对纯度要求较低，在6N（ 99.9999%）以上。从表面性质来看，半导体硅片表面的平整度、光滑度以及洁净程度要比光伏硅片高，需要经过后续的研磨倒角、抛光、清洗等环节。因此半导体硅片较光伏硅片的加工难度更高、附加值也更高。
我们在芯片产业链系列之芯片制造中已简要介绍过硅片的制造流程，即单晶生长和后端加工（切片、倒角、研磨等）。在此我们补充一下单晶生长即拉单晶的内容。拉晶工艺是硅片制作核心工艺之一，主要流程为将电子级高纯度多晶硅拉制成单晶硅锭，单晶生长技术的重点在于保证拉制出的硅锭保持高纯度水平的同时，有效控制晶体缺陷的密度，单晶的生长过程决定了硅材料的直径、晶向、掺杂导电类型、电阻率范围及分布、氧碳浓度、少子寿命、晶格缺陷等技术参数。单晶的生长方法主要可分为直拉法和区熔法两种。
直拉法（CZ法）是当今制备单晶硅的主流技术，市场占比约为85%，且12英寸硅片只能用直拉法生产，适用于逻辑、存储芯片的制造。直拉法的制备在单晶炉中进行，主要流程是在石英坩埚中放入多晶硅，在高纯惰性气体的保护下加热熔化，再将单晶硅籽晶插入熔体表面，待籽晶与熔体找寻到熔化点后，随着籽晶的提拉晶体逐渐生长形成单晶硅棒。晶体的掺杂也是通过直接在坩埚中加入掺杂剂,使掺杂元素在拉制单晶的过程中直接溶入单晶之中。直拉法优点是工艺成熟，更容易得到大直径的单晶硅棒、设备简单、可大规模生产；缺点则是由于在长晶过程中使用到坩埚，会形成碳和氧杂质，导致纯度低、电阻率不均匀。
区区熔法制作的硅片主要用于功率器件的制备，适用于8英寸及以下的硅片制作。区熔法制备单晶硅在区熔炉中进行，具体流程如下：首先在真空或稀有气体环境下的炉室中， 利用电场给多晶硅棒加热，直至被加热区域的多晶硅融化，形成熔融区；而后用籽晶接触熔融区融化；最后使多晶硅上的熔融区不断上移，同时籽晶缓慢旋转并向下拉伸，逐渐形成单晶硅棒。区熔法中不使用石英坩埚，避免了很多污染源，但由于其工艺繁琐，生产成本较高，难以大规模生产。
拉单晶之后再经过一系列的后端加工工艺就可以得到基础的硅片产品了。从耗材端来看，硅片生产所需主要原材料包括多晶硅、石墨制品、石英制品、切磨耗材、包装耗材、化学试剂、气体、抛光耗材、备品备件等。参考沪硅产业及立昂微披露的数据，其中多晶硅占比最高，约占总成本的20%~30%，石英坩锅约占10%~15%，抛光耗材成本占比10%~15%，包装材料占5%~20%不等。
硅片的种类较多，不同种类的硅片应用领域也不同。具体来说，硅片可以根据工艺、应用场景、掺杂程度、尺寸等进行分类。
根据掺杂浓度，硅片可以分为重掺和轻掺。 一般而言掺杂元素量越大，电阻率也越低。重掺硅片的掺杂元素掺入量大，电阻率低，在保证器件反向击穿电压的同时又能有效降低器件的正向功耗，一般用于模拟器件、功率器件等领域产品； 轻掺硅片掺杂浓度低，通过生长高质量的外延层，可以提高CMOS栅氧化层完整性、改善沟道漏电、提高集成电路可靠性，一般用于集成电路领域，技术难度和产品质量要求更高。由于集成电路在全球半导体市场中占比超过80%，全球对轻掺硅片需求更大。
根据工艺，硅片可分为抛光片（Polish Wafer）、退火片（Anneal Wafer）、外延片（Epitaxy Wafer）、SOI（Silicon-On-Insulator，绝缘体上硅），其中最基础和常见的种类为抛光片，占比达到70%，退火片，外延片和SOI硅片则是经对抛光片的二次加工而来。SOI硅片价格远高于同尺寸外延片和抛光片，8英寸外延片主要是功率器件用重掺外延片，外延层较厚，相比抛光片价格更高。12英寸的外延片的外延层较薄，通常在3um以内，主要用于改善硅片的表面性能，价格是同尺寸抛光片的1.2倍左右。
具体地，抛光片是经过边缘或双面抛光形成的具有原子级平坦度的硅片，8寸抛光片主要用于逻辑芯片、传感器，12寸抛光片主要应用于NAND、DRAM等存储器领域。退火片是将抛光片置于氢气或氩气中，进行升温、降温过程制得，可以消除氧对硅片电阻率影响，提高芯片良率，主要用于高性能CMOS工艺中。外延片是抛光片经外延生长后形成，外延层能够在低阻衬底上形成高电阻层，并提供与衬底晶圆不同的物理特性，8寸外延片主要用于PMIC、功率芯片、CIS等，12寸外延片主要用于MPU、CIS、逻辑芯片等。SOI硅片则是一种三明治结构的硅片，底层抛光片经氧化、键合或离子注入等工艺处理后形成，通过在顶层硅和支撑衬底之间加入一层氧化物绝缘埋层（又称BOX）。BOX使得硅片可实现IC中元器件的介质隔离，大幅减少寄生电容以及漏电现象，主要用于射频前端芯片、功率器件、传感器及硅光子器件等。
根据应用场景，硅片可分为正片，假片（又称陪片）。其中正片指的是用于正式生产的、最终形成晶圆成品的硅片，一般使用单晶硅棒中间较好的部分来制作。正片具体又包括抛光片、外延片、退火片、SOI片等。假片则用来暖机、填充空缺、测试生产设备的工艺状态或某一工艺的质量状况，一般由晶棒两侧品质较差部分切割而来。假片按功能又可分为测试片（Test Wafer）、挡片（Dummy Wafer）和控片（Monitor Wafer）。一般而言，假片占正片的比例在10%左右。
测试片主要用于实验及检查等用途，也用于制造设备投入使用初期以提高设备稳定性； 挡片用于新产线调试以及晶圆生产控制中对正片的保护；控片多用于正式生产前对新工艺测试、监控良率，同时为监控正式生产过程中的工艺精度及良率，需要在晶圆正片生产过程中插入控片增加监控频率。另外，部分挡控片可重复使用。由于挡控片作为辅助生产使用且用量巨大，晶圆厂通常会回收用过的挡片，经研磨抛光，重复使用数次；而控片则需具体情况具体对待，用在某些特殊制程的控片无法回收使用，可以回收重复利用的挡控片又被称为可再生硅片（Reclaimed Wafer）。
按照尺寸分类， 半导体硅片的尺寸（以直径计算）主要包括23mm、25mm、28mm、50mm（2英寸）、75mm（3英寸）、100mm（4英寸）、125mm（5英寸）、150mm（6英寸）、200mm（8英寸）与300mm（12英寸）等规格。 自 1960 年生产出 23mm 的硅片之后， 硅片尺寸就越来越大，到2002年已经可以量产300mm（12英寸）硅片，厚度则达到了历史新高775μm。简单起见，我们将之划分为6英寸及以下，8英寸及12英寸三类。
硅片尺寸的扩大和芯片制程的减小是集成电路行业技术进步的两条主线。由于硅片尺寸越大，单位面积产出的芯片数量也会随之增加，如8英寸到12英寸，直径增加了1.5倍，产出面积增加了2.64倍，分摊的生产成本、设备厂房等固定资产后单位面积生产成本更低，硅片边缘的损失也越少，在同等工艺条件下，尺寸越大的硅片可使用率越高，因此单位成本也会降低。
不同尺寸硅片下游应用也有所不同，12英寸硅片主要应用于逻辑芯片及存储器中，如MCU、ROM、Nand Flash、SoC等，尤其是28nm制程以下芯片；8英寸则主要用于功率器件及特色工艺产品，如MOSFET/SBD、传感器、电源管理芯片、指纹识别芯片等。 由于 8 英寸产线建厂时间较早，产线基本已折旧完毕，且技术较为成熟，在部分制程要求不高的芯片上成本较低，而 12 英寸对代工企业厂房洁净室及设备的设计精密度要求都较高，初期投资及后续研发投入较大，因此一般用于制造难度较高的逻辑芯片。
根据SEMI统计，2020年12英寸硅片占比约67.2%，8英寸硅片占比25.5%，6英寸及以下占比7.3%，12英寸硅片为更大尺寸（18 英寸，450mm）商业化量产前的主流应用。
从市场规模来看，伴随5G、物联网、新能源汽车、人工智能等新兴领域的高速成长，社会含硅量快速提升。2021年全球硅片出货量总计141.65亿平方英寸（MSI），YoY+14%，市场规模达126亿美元，YOY+13%，受益于下游晶圆厂扩建带来的产能增长，硅片行业需求持续保持旺盛，2022年SEMI预计全球硅片出货量达146.94亿平方英寸（MSI），YoY+4.8%，2023年受到整体需求下滑所致，预计环比略有下滑，2024~2025年保持持续增长。出货量机构方面，截至4Q22 8寸硅片出货量达约600万片/月，12寸硅片出货量达约800万片/月，SUMCO预计至2026年有望超1000万片/月需求量，CAGR达8%。
从竞争格局来看，全球硅片市场高度集中，日本企业一直在半导体硅片领域处于领先地位，信越化学（Shin-Etsu）和胜高（Sumco）合计市场份额超过50%。2016年12月，环球晶圆（Global Wafers）以6.83亿美元收购当时排名全球第四的美国SunEdison Semiconductor （SEMI）。收购案完成后，环球晶圆成为中国台湾最大、全球第三大的半导体硅片供应商。SK Siltron与存储大厂海力士同属SK集团， 随着存储市场的快速发展市场，SK Siltron占有率持续提升。截至2021年，硅片市场仍由海外公司所占据，根据Omdia统计，信越化学、SUMCO、环球晶圆、德国世创及SK Siltron合计占据约95%以上的市场，市场集中度较高，由于2021年开始半导体景气度上行，海外硅片公司均做出扩产规划，并计划于2023~2025年分别投产。
锗片是制作半导体器件，红外光学器件的材料，是初始的半导体基体材料。半导体材料最初以锗为主，世界上第一只晶体管就是由锗材料制成，但由于硅在自然界的储量非常丰富、价格更低，且锗基半导体虽然电子能级更好，导电性能更强，但热导能力较弱，发热现象较为明显，所以硅片成为了第一代半导体材料的核心。全球锗的资源比较贫乏，全球已探明的锗保有储量仅为8600金属吨，且非常分散，是一种典型的稀有分散元素。锗资源在全球分布非常集中，主要分布在中国、美国和俄罗斯，其中锗资源分布最多的国家是美国，保有储量3870吨，占全球含量的45％，其次是中国占全球41％
锗产业链包括上游的资源提炼、中游的提纯和深加工以及下游红外、光纤等方面的高端应用。锗具备多方面的特殊性质，在半导体、航空航天测控、核物理探测、光纤通讯、红外光学、太阳能电池、化学催化剂、生物医学等领域都有广泛而重要的应用。在电子工业中，在合金预处理中，在光学工业上，还可以作为催化剂，是一种重要的战略资源。
锗片在半导体行业中是一种重要的材料。它被用于制造高速电子器件和光电器件，如高纯度锗晶片用于太阳能电池和红外探测器的制造。具体来说，锗器件二极管、晶体三极管及复合晶体管等，锗光电器件等，广泛用于彩电、电脑、电话及高频设备中。此外，锗管特别适用于高频大功率器件中，且在强辐射与-40℃下可正常运转。
在进行砷化镓片和磷化铟片之前，对第二代半导体的产业链进行一个概览是有必要的。与第一代半导体类似，二代半导体产业链包括上游的衬造、外延加工，以及中游的IC设计、制造、封测和下游应用等环节。其中砷化镓衬底材料主要由Freiberger、Sumitomo等行业龙头供应，磷化铟村底材料则由Sumitomo、日本JX等供应；外延加工市场则是由IQE、全新光电等少数寡头占据，但一些IDM厂商自己也生产外延片；中游的IC设计、制造、封测等环节，存在IDM和代工两种主流模式；下游应用包括射频、光电子、LED和光伏等板块。
（1）砷化镓片：按工艺可分为衬底和外延（根据电阻的不同，衬底又可以进一步分为半导体型和半绝缘型），按尺寸分可以分为4英寸及以下、6英寸、8英寸晶片。
砷化镓产业链最上游为砷化镓晶体生长和衬底生产加工环节。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，先通过人工合成砷化镓多晶，再利用生长技术制备砷化镓单晶，最终经过切割、磨边、研磨、抛光、清洗等工艺得到砷化镓衬底，整个过程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。
多晶合成和单晶生长是衬备过程中的核心技术。由于自然界中不存在天然的砷化镓多晶，因此首先需要通过人工合成制备多晶。单晶生长方面，从20世纪50年代开始，就已经开发出多种砷化镓单晶生长方法，目前主流的工业化生长工艺包括液封直拉法 (Liquid Encapsulated Czochralski，LEC)、水平布里奇曼法 (Horizontal Bridgman，HB)、垂直布里奇曼法 (Vertical Bridgman，VB)以及垂直梯度凝固法 (Vertical Gradient Freeze，VGF) 等。
砷化镓衬底可进一步分为半绝缘型和半导体型。较纯砷化镓晶体中掺入VI族元素Te、Se、S等或IV族元素Si，可获得N型半导体; 掺入II族元素Be、Zn等可制得P型半导体; 掺入Cr或提高纯度可制成高电阻率的半绝缘材料。半绝缘型砷化镓衬底主要用于高频通信器件， 半导体型则主要应用与LED和VCSEL（垂直腔面发射激光器）等光电子器件。
与硅片类似，砷化镓衬底材料的发展趋势是大尺寸化，尺寸越大，在单片村底上可制造的芯片数量越多，衬底边缘的损失也会越小，有利于进一步降低芯片的成本。砷化镓衬底向大直径发展的同时，单晶体的生长长度也需要不断提升。根据北京通美招股书，目前全球砷化镓衬底以4-6英寸为主流直径，但Freiberger等龙头衬底厂商均已具备8英寸衬底生产能力。
从市场规模来看，根据Yole数据，2019年全球折合二英寸砷化镓衬底市场销量约为2000万片，预计到2025年将超3500万片，2019-2025年CAGR为9.72%； 2019年全球砷化镓衬底市场规模约为2亿美元，预计到2025年将达3.48亿美元，2019-2025年CAGR为9.67%。分应用来看，2025年全球射频器件砷化镓衬底(折合二英寸) 的销量和规模将达965.70万片、9800万美元；LED器件衬底(折合二英寸) 的销量和规模将达1333.80万片、9600万美元；激光器确化衬底(折合二英寸) 的销量和规模将达330.30万片、6100万美元。
从竞争格局来看，全球砷化镓衬底市场集中度较高。根据Yole数据，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市占率为28%、Sumitomo为21%、北京通美为13%。
砷化镓外延片是产业链的关键材料。器件制作在外延层上为正外延，若器件制作在衬底上则称为反外延，此时外延层只起支撑作用。外延生长的新单晶层可在导电类型、电阻率等方面与衬底不同，还可以生长不同厚度和不同要求的多层单晶，从而大大提高器件设计的灵活性和器件的性能。外延制备有MOCVD和MBE（Molecular Beam Epitaxy，分子束外延法）两种方法。MOCVD成长薄膜时，主要将载流气体通过有机金属反应源的容器时，将反应源的饱和蒸气带至反应腔中与其它反应气体混合，然后在被加热的衬底上面发生化学反应促成薄膜的成长。MBE成长条件则透过元素加热方式，借由超高真空环境的腔体，将所需外延元素加热升华形成分子束，当分子束接触村底后，就可形成所需外延结构。从量产速率看，MOCVD速度较MBE快1.5倍 (MBE需时间加热形成分子束)；但以外延质量来说，由于MBE可精准控制分子束外延成长，因此质量更好。
从市场规模看，根据前瞻产业研究院数据，2018年全球GaAs外延片市场规模为11亿美元，GaAs外延IDM厂商多采用MOCVD工艺，广泛应用于数通、功率和LED等领域。
从竞争格局看，头部外延厂商中IQE、全新光电、Hitachi Cable多采用MOCVD法；MBE技术生成的外延材料质量好，但生长的速度较慢，全球仅有IQE和英特磊两家专业外延代工厂采用此工艺 (IQE掌握MOCVD和MBE两种制程技术)。分应用市场来看，GaAs射频市场约90%采用外延生产外包模式，2019年IQE和全新光电合计占据市场份额80%以上；LED市场几乎由IDM厂商Osram、三安光电、晶元光电、乾照光电等占据；光电子市场商业模式取决于应用：数据通信市场主要由Finisar、Avago、IVI等IDM厂商主导，智能手机3D传感和VCSEL市场则以外包为主，2019年IQE在光电子市场市场份额仍达61%。
（2）磷化铟片：同样可按工艺分为衬底和外延（衬底可进一步分为半导体型和半绝缘型），按尺寸可分为2英寸、3英寸、4英寸、6英寸晶片。
与砷化镓衬底类似，磷化铟衬底生产也需要经过多晶合成、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。在多晶合成方面，自然界中不存在天然的磷化铟多晶，因此需要通过人工合成制备磷化铟多晶，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磷化铟多晶；合成方法主要有水平梯度凝固法 （Horizontal Gradient Freezing，HGF）、水平布里奇曼法 (HB)、溶质扩散法 (Synthesis Solute Diffusiod，SSD)和直接合成法（In-situ Synthesis）等。目前，改进后的HB/HGF法是工业合成InP多晶的主要方法。
在单晶生长方面，磷化铟的单晶生长方法分为两大类: 垂直生长和水平生长，目前主要的生长方法包括液封直拉法 (LEC)、改进LEC法、HB法和HGF法、VGF法和VB法，其制备技术存在较高壁垒。
按导电性能，InP衬底可进一步分为半导体型和半绝缘型。半导体型又分为N型和P型，N型衬底通常选用Sn和In2S3作为掺杂剂，P型衬底则选用ZnP2作为掺杂剂。各种掺杂剂的使用，目的是为器件制造提供不同导电类型的衬底。其中，N型掺Sn的InP主要用于激光二极管，N型掺S的InP用于激光二极管和光探测器，P型掺Zn的lnP主要用于高功率激光二极管。半绝缘型按是否掺杂分为掺杂半绝缘衬底和非掺杂半绝缘村底，掺杂半绝缘衬底通常采用Fe2P作为掺杂剂而非掺杂半绝缘衬底是将高纯InP单晶衬底通过高温退火而成，主要用于制作射频器件。
按晶片尺寸，为了降低成本，InP单晶的总体发展趋势是向大尺寸、低位错、工业化大规模生产发展。目前，其主流尺寸是2-4英寸，最大商用尺寸是6英寸。根据北京通美招股书，Sumitomo和北京通美分别使用VB和VGF技术可以生长出直径6英寸的InP单晶，日本JX使用LEC技术可以生长出直径4英寸的InP单晶。
按市场规模来看，根据Yole数据，2026年全球磷化铟村底市场预计销量为128.19万片(折合二英寸) ，2019-2026年CAGR为14.40%;2026年全球磷化钢村底市场预计规模为2.02亿美元，2019-2026年CAGR为12.42%。分应用来看，2026年全球光模块器件磷化铟村底(折合二英寸) 的销量和规模将达100.03万片、1.57亿美元；传感器件磷化铟衬底(折合二英寸)的销量和规模将达20.54万片、3200万美元；射频器件碎化钢村底(折合二英寸)的销量和规模预计约为7.63万片、1300万美元。
按竞争格局来看，全球磷化铟衬底市场集中度高。目前主要供应商包括Sumitomo、日太JX、法国InPact、英国WaferTech等。根据Yole数据，2020年全球前三大广商占据磷化钢衬底市场90%以上的市场份额，Sumitomo、北京通美、日本JX分别占比42%、36%、13%。
对于不同的材料和应用，外延技术主要包括MBE、MOCVD、氢化物气相外延(Hydride Vapor Phase Epitaxy，HVPE)和液相外延(Liquid-Phase Epitaxy,LPE)等。液相外延、氯化物气相外延和氢化物气相外延因简便快速而适合厚层外延，但在多层、多元组分、掺杂、界面质量等方面具有很大的局限性，MOCVD和MBE方法可实现厚度、组分、掺杂和界面的精确控制，是磷化铟外延的主要方法。
从市场规模来看，根据恒州博智QYR百家号数据，2021年全球磷化铟外延片市场销售额为1.04亿美元，预计2028年将达到1.62亿美元，年复合增长率为6.30%。
从竞争格局来看，磷化铟外延片市场集中。全球磷化钢外延片主要有两种来源：一种是大型的IDM制造商，包括美国II-VI、Lumentum、Broadcom和日本Sumitomo、Mitsubishi等公司； 另外一种是专业的外延厂，包括中国台湾联亚光电、全新光电、英特磊以及英国IQE等公司，根据Yole，2020年联亚光电占磷化铟外延片市场份额约67%。我国大陆磷化铟外延片厂包括全磊光电、华兴激光等。此外，长光华芯、仕佳光子、源杰科技、中科光芯等IDM公司也具备自主磷化铟外延生长能力。
在具体介绍碳化硅片和氮化镓片之前，我们同样首先对两者的产业链进行一个概览，这样比较有利于我们后续的理解。与二代半导体材料类似，碳化硅和氮化镓的产业链同样包含衬底、外延、设计、制造和IDM。产业链整体上看，SiC的商用更成熟，GaN市场则处于起步阶段。
（1）碳化硅片：按工艺可分为衬底和外延（根据电阻率的不同，衬底又可以进一步分为导电型和半绝缘型），按尺寸分可以分为4英、6英寸、8英寸晶片。
从最上游的碳粉、硅粉制备成碳化硅圆晶，在进行外延，最后制备成 SBD、 MOSFET、 IGBT 等器件，碳化硅衬底及外延是整个环节最关键的一环。他决定着上游原材料制备的方式及相关参数，同时也决定着下游器件的性能。与二代半导体晶片相似，碳化硅片的生产过程同样包括了多晶合成、单晶生长以及后端加工的步骤。
在晶体生长和晶体加工环节均存在技术难点。晶体生长环节，条件控制严、长晶速度慢和晶型要求高为主要技术难点。碳化硅晶体的生长温度在 2300°C 以上，对温度和压力的控制要求高；此外，碳化硅有250多种同分异构体，其中4H-SiC为主流，因此需要严格控制硅碳比、生长温度梯度及气流气压等参数才能生长出理想晶体。晶体生长主要有物理气相传输法（PVT）、高温化学气相沉积法（HT-CVD）、顶部籽晶溶液生长法(TSSG法)等，其中PVT法是现阶段商业化生长SiC衬底的主流方法，技术成熟度最高、工程化应用最广。
与二代半导体所不同的是，碳化硅长晶速度缓慢。同时由于碳化硅晶体高硬、高脆、耐磨性好、化学性质极其稳定，使得衬底加工非常困难，碳化硅衬底的加工过程（主要分为切片、薄化和抛光）中的切片和薄化为主要技术难点，加工难度更高。此外碳化硅的缺陷密度相较二代半导体也更大，这都是碳化硅成本的居高不下的原因。
根据电阻率，衬底可以进一步细分为导电型和半绝缘型两大类。不同于传统硅基器件，碳化硅器件不可直接制作于衬底上，需先使用化学气相沉积法在衬底表面生成所需薄膜材料，即形成外延片，再进一步制成器件。其中，导电型衬底即在碳化硅衬底上生长碳化硅外延层，适用于做功率器件，下游应用包括新能源车、光伏发电等。半绝缘型衬底即在碳化硅衬底上生长氮化硅外延层，适用于射频器件，下游应用包括5G通信、卫星等。
从尺寸来看，对于降低成本，主要有扩大晶圆尺寸、改进碳化硅长晶工艺及改进切片工艺等三个方向。根据Wolfspeed最新资料，从6寸转向8寸晶圆，碳化硅芯片数量有望从448颗增加到845颗，增加了75%。 8英寸SiC衬底的基面和螺纹螺钉密度分别为684cm-2和289cm-2。化学机械抛光后，表面质量得到改善，有66个缺陷。碳化硅外延可以实现略高于1%的厚度和掺杂均匀性。根据GTAT公司的预估，相对于6寸晶圆平台，预计8寸衬底的引入将使整体碳化硅器件成本降低20-35%。而且，6寸SiC晶体厚度为350微米，而最初投放市场的8寸SiC衬底厚度为500微米。尽管晶体成本会略微上涨，但是由于更厚的晶体可以切除更多的衬底片，预计也有望进一步降低器件生产成本。
从市场规模来看，根据Yole数据，2020年半绝缘型SiC衬底市场规模为10.62亿美元，预计2025年将增长至28.39亿美元，CAGR约21.7%。2020年导电型SiC衬底市场规模为7.31亿美元，预计2025年将增长至44.67亿美元，CAGR约43.6%。由于目前衬备的成本较高，衬底在SiC晶圆中价值量最高，据TrendForce数据，在6寸SiC晶圆中，衬底价值量最高，占比达到46%；外延占比23%，芯片器件22%，封测9%。
从市场格局来看，市场集中度高，两类衬底CR3均高达90%以上。半绝缘型SiC衬底市场集中度CR3为98%，Wolfspeed、II-VI、山东天岳三足鼎立；导电型SiC衬底市场集中度CR3为90%，其中Wolfspeed（原名Cree公司）占比超50%。国外厂商在两类衬底市场中均占有主要份额，国内厂商在半绝缘衬底全球市场具有一定优势，但在导电型衬底全球市场占比较小。半绝缘型衬底市场中山东天岳占比30%；导电型天科合达和山东天岳占比1.7%和0.5%。
（2）氮化镓片：同样可根据工艺分为衬底和外延，也可根据尺寸分为2-4英寸、6英寸、8英寸晶片。
GaN产业范畴大致包括GaN单晶衬底（以GaN、SiC、Si、蓝宝石为衬底）、GaN 材料外延、器件设计以及器件制造。国内氮化镓企业以IDM模式为主，充分挖掘行业技术潜力，且有条件率先实验并推行新技术。随着行业规模不断拓展， 设计与制造环节已经开始出现分工，如传统硅晶圆代工厂台积电已经开始提供GaN制程的代工服务。
氮化镓产业链上游主要包括衬底与外延片的制备。 在GaN器件中，衬底的选择对于器件性能起关键作用，衬底也占据了大部分成本，因而衬底是GaN器件降低成本的突破口。由于GaN单晶衬底生长尺寸受限，通常在异质衬底（蓝宝石、SiC和Si）上生长外延片。目前GaN器件主要采用蓝宝石、SiC、Si等衬底，但外延层GaN和异质衬底之间存在晶格失配和热失配问题，效率降低，研究者们正着力突破GaN单晶衬底的制备技术。
目前GaN单晶衬底以2-4英寸为主，4英寸已实现商用，6英寸样本正开发。GaN体单晶衬底的主要方法有HVPE、氨热法，以及助熔剂法。HVPE方法生长速率快、易得到大尺寸晶体，是目前商业上提供氮化镓单晶衬底的主要方法；其缺点是成本高、晶错密度高、曲率半径小以及会造成了一定的环境污染。氨热法生长技术结晶质量高，可以在多个籽晶上生长，易规模化生产，可以显著降低成本；缺点是生长压力较高，生长速率低。助熔剂法生长条件相对温和，对生长装备要求低，可以生长出大尺寸的氮化镓单晶；其缺点是易于自发成核形成多晶，难以生长出较厚的氮化镓晶体。
GaN外延片方面，由于GaN的熔点很高，且饱和蒸汽压较高，在自然界中无法以单晶形式存在，必须采用外延法进行制备。 MOCVD、MBE、HVPE等是比较传统的GaN薄膜制备方法。因此GaN基本是以外延片形式存在的。从市场规模来看，2021年全球氮化镓（GaN）外延片市场销售额达到了4.2亿美元，预计2028年将达到15亿美元，年复合增长率为21.2%。
从竞争格局来看，GaN衬底市场主要由日本厂商主导。据半导体产业网，2020年住友电工、三菱化学、住友化学等三家日商合计占据GaN衬底市场份额超过85%。GaN外延片市场中，欧、美、日厂商占据领先位置。据QYResearch，2020年全球GaN外延片市场CR5为53%，核心厂商包括NTT AT、Wolfspeed、住友化学、EpiGaN（Soitec）等。
至此我们已经把半导体材料中价值量最大的一环硅片，以及化合物半导体材料都进行了简单的梳理。下次我们将继续介绍半导体的工艺材料，让我们下次再见吧。
上一期我们讲到了半导体是介于绝缘体与导体之间的物质。所以半导体也必然是由导电性较好的材料制作而成，这些材料的电阻率一般约在1mΩcm到1GΩcm之间。
第一代半导体材料主要以硅，锗为主。上一期和大家简单提及过，硅元素在地球上贮存非常丰富，占了地球整体的26.4%，超过了地球的四分之一，仅次于氧元素！如果说碳是组成一切有机生命的基础，那么硅对于地壳来说，占有同样的位置，因为地壳的主要部分都是由含硅的岩石层构成的。这些岩石几乎全部是由硅石和各种硅酸盐组成。加之硅的物理性质与半导体产品所要求条件简直一拍即合!所以硅也是当仁不让成为了半导体生产的主要原材料。
那么，第一代半导体材料的另一个元素，锗又是怎么作为半导体而存在的呢？其实追根溯源来说的话，锗才是最早被研究的半导体原材料。锗虽然属于金属，但属于较为活泼的材料,它和介电材料的界面容易发生氧化还原反应,生成氧化锗,产生较多缺陷,进而影响材料的性能。再加上贮存量远远少于硅元素，所以直接作为衬底是不经济且有一定难度的，当然了，这并不包括一些必要的工艺。至于衬底是什么往后也会为大家解释。
第一代半导体材料的应用初始于上世纪60年代左右，纵然硅与锗已经为分立器件，集成电路等的开发打下了夯实的基础，但二者还是有各自比较明显的缺点。如锗的耐高温和抗辐射能力较弱，硅材料的物理性质也限制了其在高电子及高频高功率器件上的应用。
上世纪九十年代以来，随着移动通信的飞速发展、以光纤通信为基础的信息高速公路和互联网兴起。随之，第二代半导体材料开始崭露头角。
第二代半导体材料主要是指化合物半导体材料。这些化合物中，商业半导体器件中用得最多的是砷化镓、磷化铟、磷砷化镓（GaAsP）、砷铝化镓（GaAlAs）和磷镓化铟（InGaP）。其中以砷化镓技术最成熟，应用也最广。
① 化合物半导体的电子迁移率较硅半导体快许多，因此适用于高频传输，在无线电通讯，如手机、基地台、无线区域网络、卫星通讯、卫星定位等皆有应用；
② 化合物半导体具有直接带隙，这是和硅半导体所不具备的。因此化合物半导体可适用发光领域，如发光二极管（LED）、激光二极管（LD）、光接收器（PIN）及太阳能电池等产品。可用于制造超高速集成电路、微波器件、激光器、光电以及抗辐射、耐高温等器件，对国防、航天和高技术研究具有重要意义。
砷化镓等二代半导体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。但是镓（地壳含量仅0.0015%）、铟（地壳含量仅0.001%）材料资源非常稀缺，导致价格昂贵；同时，砷还有剧毒，会对人体，自然环境，乃至接触的物质产生严重的有害化学反应，在世界上许多国家是被严格限制的 ；这些缺点使得第二代半导体材料的应用具有一定的局限性。
1873年，英国的史密斯发现硒晶体材料在光照下电导增加的光电导效应，这是半导体的第三种特性。
不知道你是否注意到，近两年安卓手机的充电速度越来越快了，就连苹果手机也能对应高速快充了！
从“充电五分钟通线-10分钟就可以充满电量，可以说部分消费者使用手机的习惯已经随着快充技术的成熟彻底改变。
同样的升级也正在新能源电车领域上演。近期小鹏汽车上线超快充首桩，可以在小鹏G9车型上实现“充电5分钟续航200公里”的提升，还由此引发了“纯动、混动，谁是新能源车未来”的讨论。
第三代半导体材料指的是以碳化硅、氮化镓为代表的材料。与前两代半导体材料相比，其最大的优势是较宽的禁带宽度，更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率的电子器件，因此在5G基站、新能源电车、光伏、风电、高铁等领域有着很大应用潜力。
其中，新能源电车是目前最主要的应用及消费市场。碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）为代表的第三代半导体也将随之占据舞台的“C位”。尤其碳化硅功率器件，60%以上用于电动车领域——包括汽车空调、DC/AC主逆变器、OBC车载充电器、DC/DC变换器都需要用到SiC器件。SiC器件可以让电机控制器的体积减少30%，重量随之减轻，转换效率平均大约有5%的提升。
目前特斯拉、比亚迪等车企已经开始将SiC器件应用于其新能源汽车的主控电路中。这带动了一波碳化硅的“上车潮”。国内的小鹏、蔚来、理想等造车新势力，都已推出或宣布推出SiC模块。
首先需要注意的是，“第一，二，三代半导体”的称呼容易让人产生错觉。实际上，这并非是一个更新换代，新生和淘汰的关系。第三代半导体材料并不是第一代和第二代半导体材料的升级，并不比前两代更加先进，三者其实是共存的关系，各有各的优势和应用领域。
第一代半导体以硅材料为主，应用极为广泛，其主要细分领域包括了集成电路、光电子、分立器件、传感器；从昂贵的英伟达显卡、苹果M1芯片，到只有几分钱一个的二极管都属于第一代半导体。
第二代半导体以砷化镓、磷化铟为代表，主要使用在于移动通信、无线通信、光纤通信、LED、卫星导航等领域。
第三代半导体以氮化镓、碳化硅为代表，其主要应用于新能源电车、光伏、风电、5G通信等领域。
从整体产值规模来看，第三代半导体目前还是一个小众市场，第二代、第三代半导体市场占比加起来不过 10%。目前市场的大头仍然是第一代半导体材料。
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