随着先进制程芯片成为国际主流，传统半导体材料将会随之改进各项参数。未来5年半导体材料将在产品终端需求爆发和长期单价下降两大因素的博弈中保持适度增长。随着新能源汽车和5G等应用场景的高速增长，全球半导体材料的结构性机会主要集中于第三代半导体。

　　从技术发展趋势来看，未来3-5年，摩尔定律仍将统治半导体产业，新能源汽车、5G等产业的突破带来大量新应用场景，为了适配7nm以下先进制程的制造需求和新兴应用场景对更高性能的要求，半导体材料产业将进一步投入相关技术研发，在改善现有材料工艺以提升纯度等参数的同时，努力开发新材料，突破现有材料的物理限制。最值得研究的仍然是占据最大市场份额的晶圆：硅晶圆未来将继续占据主流，一点点改进参数、增加尺寸；而占据相对较小份额的半导体新材料将会在新应用场景下得到更多增长空间，但由于成本原因总体上仍只是硅晶圆的补充。

　　从市场前景来看，市场规模增长来自订单数量增长和产品价格提升的叠加效应。随着下业蓬勃发展，尤其是新兴应用场景的出现，半导体需求不断增长，带来上游半导体材料需求量增加，而半导体生产仍旧以晶圆为核心（晶圆本身占据了最大的市场份额，高出其他材料一个数量级），单位生产用量提升不明显，因此，在订购数量方面，半导体材料将随全行业共同变化。但另一方面，虽然材料参数要求更高，提升了技术价值，且部分新应用场景需要大量应用相对昂贵的半导体新材料，但根据历史经验，半导体材料上从未出现过卡住行业脖子的技术难题，技术进步的难度远小于设备，降成本能力极为显著，因此产品平均单价从长期看始终呈现下降趋势。这两个因素此消彼长，最终预计半导体材料市场将在未来3-5年仍将随整个行业一起增长，但增长幅度不及中下游，更不及设备市场。

　　半导体是电子产品的核心、现代工业的“粮食”。半导体是指常温下导电能力介于导体与绝缘体之间的电子材料，其电阻率约在1mΩ·cm~1GΩ·cm。半导体物理特性使得其主要用于制造集成电路、光电子器件、分立器件和传感器四类产品。半导体制造产业链由设计、制造和封装测试环节构成，其产品广泛应用于移动通信、电力电子、国防军工等领域。广义上的半导体材料可以分为三类，包括半导体基础（衬底）材料、半导体制造辅助材料、和半导体封装材料（前两者又可以被认为是狭义上的半导体材料），是半导体产业链的基石。

　　半导体产业需要的材料纷繁复杂，其中最基础的就是晶圆。绝大部分半导体产品都必须以晶圆为衬底，经过复杂的加工之后才能制造出来，晶圆的物理性质直接决定了最终产品的性质和性能。半导体产业之所以得名，就是因为晶圆是由电学上的半导体材料制成的，其中最具代表性，也是应用最广的就是硅材料，除此之外，砷化镓、氮化镓、碳化硅、金刚石等晶体，只要具备所需的物理特性（往往尤其特殊的晶体结构带来），都可以用来制作不同需求的半导体产品。以硅片为例，制造过程主要包括精炼提纯、拉晶、切片、抛光等步骤，硅原料会先被高温化学反应熔炼提纯，之后在高温液体状态下被拉铸成单晶硅锭，硅锭再被切割为硅片，经过打磨抛光等之后就可以送至晶圆厂进行加工。随着下游终端产品对于精密度的要求越发高，晶圆材料的制备也将在纯度等指标方面精益求精，同时，各种不同的晶圆材料也会为了适配多元化需求而得到更多应用。

　　除硅片以外，复杂的半导体制造工艺中还需要大量化工材料，主要包括掩模版、光刻胶、靶材、抛光液抛光垫、电子特气等。大部分材料都属于一般性化工产品，相关行业的龙头都是传统化工巨头，往往将相关业务作为众多部门中的一部分。硅片和其他材料送至晶圆厂以后，前后要经历数千道工序才能完成加工，包括：

　　2.光刻：将光刻胶涂抹至硅片表面，再通过透镜显影，将掩模版上图形等比缩小后照射在光刻胶上，被照射到的光刻胶的物理化学性质会被改变；

　　3.刻蚀：定向清除部分光刻胶之后，就可以对露出的部分进行等离子轰击，从而在基底上刻下需要的线.薄膜沉积：将金属材料和介电质材料沉积在硅片表面形成薄膜，之后再通过刻蚀完成电路和导线.离子注入：通过等离子体轰击向硅晶格中注入所需离子，达成所需物理特性；

　　8.量测：每一步骤的处理都需要硅片已经满足一定的性质和条件，这就要求必须准确测量硅片在生产过程中的各项参数，并及时检测出缺陷。晶圆加工过程技术难度大、工艺步骤多、良率要求高，需求大量各式固体、液体、胶体、气体材料，不同工序所用材料实际上相差巨大，因此往往需要不同的企业供货，形成许许多多单独体量不大但总量可观的细分市场。

　　核心观点：未来3-5年，摩尔定律仍将统治半导体产业，新能源汽车、5G等产业的突破带来大量新应用场景，为了适配7nm以下先进制程的制造需求和新兴应用场景对更高性能的要求，半导体材料产业将进一步投入相关技术研发，在改善现有材料工艺以提升纯度等参数的同时，努力开发新材料，突破现有材料的物理限制。

　　最值得研究的仍然是占据最大市场份额的晶圆，其中，硅晶圆未来3-5年预计将继续占据主流，一点点改进参数；而占据相对较小份额的半导体新材料有可能会得到更多增长空间，但从市场份额上看，大概率仍只是硅晶圆的补充。

　　应用最广的硅材料一般被划定为第一代半导体材料，而之后研发的半导体材料都被归为第二、第三代半导体材料。半导材料发展至今，硅材料已经接近完美晶体。基于硅材料上器件的设计和开发也经过了许多代的结构和工艺优化和更新，正在逐渐接近硅的物理极限。基于硅材料的器件性能提高的潜力愈来愈小，而以氮化镓、碳化硅为代表的、半导体具备优异的材料物理特性，为进一步提升电力电子器件的性能提供了更大的空间。第二代材料包括GaAs等，第三代材料包括GaN、SiC、金刚石等。新一代半导体材料在多项性能上都优于传统的硅材料，可以轻松突破硅的物理极限，但是由于工艺不成熟、技术不到位、原料稀缺度等因素，成本始终高于硅，因此一般用于对特定参数有者特殊需求的场景，且除SiC外往往还会以硅材料为衬底，自己只做外延材料（化合物半导体晶圆最大尺寸为6-8英寸），在市场份额上无法与硅材料相提并论。未来，随着其技术的进步、逐步降本增效后，化合物半导体有望逐步增加市场份额，与硅材料相辅相成。

　　1.禁带宽度（eV)：固体中电子的能量不是连续取值的，而是处于一系列不连续的能带，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，自由空穴存在的能带称为价带。被束缚的电子要成为自由电子或者空穴，就必须获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。一般认为，禁带宽度越宽，材料耐压性越好，高电压环境下性能更稳定。

　　2.电子饱和漂移速度（cm/s)：通常，电子以费米速度随机地在导体中随机运动，将材料置于电场中将使该随机运动在一个方向上具有小的净流速，其平均速度就是漂移速度。一般认为，漂移速度越大，材料的高频性能越好。

　　3.热导率（W/cm·k)：又称“导热系数”，是指当温度垂直向下梯度为1℃/m时，单位时间内通过单位水平截面积所传递的热量。一般认为，热导率越高，散热越快，在高温状态下性能更好。

　　4.击穿场强：又称“介电强度”，在强电场作用下，固体电介质由绝缘状态突变为导电状态，此时的最低临界电压称为击穿电压。均匀电场中，击穿电压与固体电介质厚度之比称为击穿电场强度。

　　5.开关损耗：开关管工作状态有断开和导通两种状态。断开时，流过开关的电流为0,虽然开关两端电压不为0,但P=UI=0,所以不消耗功率。导通时，开关上流过电流，但两端电压为0,同样不消耗功率。但实际上开关时总有一个短暂的过渡状态，此时会消耗功率，即开关损耗。

　　第二代半导体材料的代表是砷化镓GaAs和磷化铟InP。其中最成熟的就是砷化镓，因其宽禁带、直接带隙、高电子跃迁率等特性，适用于高速、高频、大功率以及发光电子器件，一般用于高性能微波、毫米波器件等。由于抗电辐射能力强，工作温度范围宽，应用于光纤、卫星、微波等通讯技术领域，以及LED等发光器件。磷化铟的主要特点是电子漂移速度高、导热性好、耐辐射，尤其擅长放大更高频率的信号，同样应用于通讯领域。第二代半导体材料原料相对稀缺，价格高昂，且对环境污染较大，作为光电器件和射频器件（尤其是功率放大器PA）的材料稳步增长。在5G复杂通讯模式下，需要芯片拥有更高的功率（5G手机所需PA高达16颗）、更好的频率特性、更耐高压、更低噪声等，这恰恰是第二代化合物半导体的优势。砷化镓被认为是目前最成熟的半导体新材料，随着5G时代来临，砷化镓手机和基站芯片的需求将会大幅增加。无线通讯应用可以分为终端通信和基站通信，前者要求更小的体积和待机耗电流，因此终端侧的砷化镓主要采用异质结双极晶体管HBT工艺，后者则要求更高的工作频率和功率转换效率，因此在基站端主要采用金属半导体场效应晶体管MESFET和赝调制高电子迁移率效应晶体管PHEMT。

　　碳化硅材料具有高临界磁场、高电子饱和速度与极高热导率等特点，使得其器件适用于高压、高频、高温的应用场景，相较于硅器件，可以显著降低开关损耗。适合用于制造高耐压、大功率的电力电子器件，下游主要用于智能电网、新能源汽车等行业，其中，新能源汽车是其需求的最大增量来源。未来3-5年，汽车电子爆发式增长已经可以基本确定，其中一个重要方向就是电动汽车提升了车用半导体价值量。在电动车发动机中，需要大量用到功率半导体，将电能功率转换为汽车的动能。

　　电动车一大特点是高温高压环境，新能源汽车母线V左右，硅基IGBT模块虽然也耐高压、高频，但由于少数载流子积聚使得其在关断时存在拖尾电流，会产生较大的开关损耗，并伴随发热。面对新能源汽车的特殊需求，已经达到物理极限的传统半导体材料很难更进一步，必须依靠SiC功率器件为主的新一代半导体材料。SiC功率器件能满足新能源汽车多方位的需求，带来诸多方面的性能升级：

　　1.碳化硅模块的功率密度显著强于硅基模块。在相同功率等级下，全SiC模块的封装尺寸显著小于Si模块，以Wolfspeed提供的碳化硅模块为例，在代替硅IGBT后，逆变器的重量减少了6千克，尺寸缩小了43%，输出功率却增至2.5倍，功率密度为原有3.6倍。

　　2.SiC功率模块与硅基IGBT功率模块相比，可大幅减少开关损失，给新能源汽车电驱系统带来直接的效率提升，进而减少电力损失，增加续航能力。采用Rohm全SiC模块的逆变器相对于采用硅基功率模块的逆变器减少了75%的开关损失。

　　3.由于SiC器件的高热导率，其散热性能优异，具有优异的高温稳定性，间接提升了新能源汽车的工作稳定性和安全性。并且SiC器件的能量损耗小，发热量也更小，散热处理也更容易进行，不但散热器体积可以显著减小，还可以实现逆变器与电机的一体化。

　　化合物半导体与硅材料制备的最大差别在于外延生长过程较为复杂，要经过基板厂商和外延厂商两道环节，其中，砷化镓主要采用分子束外延法MBE和金属气相沉积法MOCVD；氮化镓主流采用氢化物气相外延法HVPE；碳化硅主要采用物理气相传输法PVT。

　　二三代半导体制作工艺复杂，成本远高于硅器件，严重放慢了其在下游市场的普及速度。以碳化硅为例，高昂成本可以归结于以下几点：

　　1.全新的制造方法：本身硅晶圆的制造就极大依赖于特定的装备，相关装备往往由晶圆厂商自行生产，形成自产自销的闭环，且各大晶圆制造商都严格限制自家的装备外销，而碳化硅的制造工艺与硅大大不同，厂商需要从头研制相关设备，带来成本增加。

　　2.衬底成本高企：大部分半导体新材料都需要以硅为衬底缓慢生长才能形成单晶结构，唯一可以自行制作衬底的SiC，因为不同于Si材料可以用熔体提拉法制备（主要是因为在现有的实验条件所能达到的压力条件下，SiC没有熔点，只会升华，且在现有实验条件所能达到的温度。