半导体材料的应用及发展趋势

半导体材料(semiconductor material)是一类具有半导体性能(导电能力介于导体与绝缘体之间，电阻率约在1mΩ·cm～1GΩ·cm范围内)、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。

一、半导体材料主要种类

半导体材料可按化学组成来分，再将结构与性能比较特殊的非晶态与液态半导体单独列为一类。按照这样分类方法可将半导体材料分为元素半导体、无机化合物半导体、有机化合物半导体和非晶态与液态半导体。

1、元素半导体：在元素周期表的ⅢA族至ⅦA族分布着11种具有半导性半导体材料的元素，下表的黑框中即这11种元素半导体,其中C表示金刚石。C、P、Se具有绝缘体与半导体两种形态B、Si、Ge、Te具有半导性Sn、As、Sb具有半导体与金属两种形态。P的熔点与沸点太低,Ⅰ的蒸汽压太高、容易分解，所以它们的实用价值不大。As、Sb、Sn的稳定态是金属，半导体是不稳定的形态。B、C、Te也因制备工艺上的困难和性能方面的局限性而尚未被利用。因此这11种元素半导体中只有Ge、Si、Se 3种元素已得到利用。Ge、Si仍是所有半导体材料中应用最广的两种材料。

（半导体材料）

2、无机化合物半导体：分二元系、三元系、四元系等。 二元系包括：①Ⅳ-Ⅳ族:SiC和Ge-Si合金都具有闪锌矿的结构。②Ⅲ-Ⅴ族:由周期表中Ⅲ族元素Al、Ga、In和V族元素P、As、Sb组成，典型的代表为GaAs。它们都具有闪锌矿结构,它们在应用方面仅次于Ge、Si,有很大的发展前途。③Ⅱ-Ⅵ族:Ⅱ族元素Zn、Cd、Hg和Ⅵ族元素S、Se、Te形成的化合物，是一些重要的光电材料。ZnS、CdTe、HgTe具有闪锌矿结构。④Ⅰ-Ⅶ族：Ⅰ族元素Cu、Ag、Au和 Ⅶ族元素Cl、Br、I形成的化合物，其中CuBr、CuI具有闪锌矿结构。⑤Ⅴ-Ⅵ族：Ⅴ族元素As、Sb、Bi和Ⅵ族元素 S、Se、Te形成的化合物具有的形式,如Bi2Te3、Bi2Se3、Bi2S3、As2Te3等是重要的温差电材料。⑥第四周期中的B族和过渡族元素Cu、 Zn、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni的氧化物,为主要的热敏电阻材料。⑦某些稀土族元素 Sc、Y、Sm、Eu、Yb、Tm与Ⅴ族元素N、As或Ⅵ族元素S、Se、Te形成的化合物。 除这些二元系化合物外还有它们与元素或它们之间的固溶体半导体，例如Si-AlP、Ge-GaAs、InAs-InSb、AlSb-GaSb、InAs-InP、GaAs-GaP等。研究这些固溶体可以在改善单一材料的某些性能或开辟新的应用范围方面起很大作用。

（半导体材料元素结构图）

半导体材料

三元系包括：族:这是由一个Ⅱ族和一个Ⅳ族原子去替代Ⅲ-Ⅴ族中两个Ⅲ族原子所构成的。例如ZnSiP2、ZnGeP2、ZnGeAs2、CdGeAs2、CdSnSe2等。族：这是由一个Ⅰ族和一个Ⅲ族原子去替代Ⅱ-Ⅵ族中两个Ⅱ族原子所构成的, 如 CuGaSe2、AgInTe2、 AgTlTe2、CuInSe2、CuAlS2等。：这是由一个Ⅰ族和一个Ⅴ族原子去替代族中两个Ⅲ族原子所组成,如Cu3AsSe4、Ag3AsTe4、Cu3SbS4、Ag3SbSe4等。此外，还有它的结构基本为闪锌矿的四元系(例如Cu2FeSnS4)和更复杂的无机化合物。

3、有机化合物半导体：已知的有机半导体有几十种，熟知的有萘、蒽、聚丙烯腈、酞菁和一些芳香族化合物等，它们作为半导体尚未得到应用。

4、非晶态与液态半导体：这类半导体与晶态半导体的最大区别是不具有严格周期性排列的晶体结构。

二、半导体材料实际运用

制备不同的半导体器件对半导体材料有不同的形态要求，包括单晶的切片、磨片、抛光片、薄膜等。半导体材料的不同形态要求对应不同的加工工艺。常用的半导体材料制备工艺有提纯、单晶的制备和薄膜外延生长。

半导体材料所有的半导体材料都需要对原料进行提纯，要求的纯度在6个“9”以上，最高达11个“9”以上。提纯的方法分两大类，一类是不改变材料的化学组成进行提纯，称为物理提纯另一类是把元素先变成化合物进行提纯，再将提纯后的化合物还原成元素，称为化学提纯。物理提纯的方法有真空蒸发、区域精制、拉晶提纯等，使用最多的是区域精制。化学提纯的主要方法有电解、络合、萃取、精馏等，使用最多的是精馏。由于每一种方法都有一定的局限性，因此常使用几种提纯方法相结合的工艺流程以获得合格的材料。

（半导体材料）

绝大多数半导体器件是在单晶片或以单晶片为衬底的外延片上作出的。成批量的半导体单晶都是用熔体生长法制成的。直拉法应用最广，80%的硅单晶、大部分锗单晶和锑化铟单晶是用此法生产的，其中硅单晶的最大直径已达300毫米。在熔体中通入磁场的直拉法称为磁控拉晶法，用此法已生产出高均匀性硅单晶。在坩埚熔体表面加入液体覆盖剂称液封直拉法，用此法拉制砷化镓、磷化镓、磷化铟等分解压较大的单晶。悬浮区熔法的熔体不与容器接触，用此法生长高纯硅单晶。水平区熔法用以生产锗单晶。水平定向结晶法主要用于制备砷化镓单晶，而垂直定向结晶法用于制备碲化镉、砷化镓。用各种方法生产的体单晶再经过晶体定向、滚磨、作参考面、切片、磨片、倒角、抛光、腐蚀、清洗、检测、封装等全部或部分工序以提供相应的晶片。

在单晶衬底上生长单晶薄膜称为外延。外延的方法有气相、液相、固相、分子束外延等。工业生产使用的主要是化学气相外延，其次是液相外延。金属有机化合物气相外延和分子束外延则用于制备量子阱及超晶格等微结构。非晶、微晶、多晶薄膜多在玻璃、陶瓷、金属等衬底上用不同类型的化学气相沉积、磁控溅射等方法制成。

三、半导体材料发展现状

相对于半导体设备市场，半导体材料市场长期处于配角的位置，但随着芯片出货量增长，材料市场将保持持续增长，并开始摆脱浮华的设备市场所带来的阴影。按销售收入计算，

半导体材料日本保持最大半导体材料市场的地位。然而台湾、ROW、韩国也开始崛起成为重要的市场，材料市场的崛起体现了器件制造业在这些地区的发展。晶圆制造材料市场和封装材料市场双双获得增长，未来增长将趋于缓和，但增长势头仍将保持。

（半导体材料）

美国半导体产业协会(SIA)预测，2008年半导体市场收入将接近2670亿美元，连续第五年实现增长。无独有偶，半导体材料市场也在相同时间内连续改写销售收入和出货量的记录。晶圆制造材料和封装材料均获得了增长，预计今年这两部分市场收入分别为268亿美元和199亿美元。

日本继续保持在半导体材料市场中的领先地位，消耗量占总市场的22%。2004年台湾地区超过了北美地区成为第二大半导体材料市场。北美地区落后于ROW(RestofWorld)和韩国排名第五。ROW包括新加坡、马来西亚、泰国等东南亚国家和地区。许多新的晶圆厂在这些地区投资建设，而且每个地区都具有比北美更坚实的封装基础。

芯片制造材料占半导体材料市场的60%，其中大部分来自硅晶圆。硅晶圆和光掩膜总和占晶圆制造材料的62%。2007年所有晶圆制造材料，除了湿化学试剂、光掩模和溅射靶，都获得了强劲增长，使晶圆制造材料市场总体增长16%。2008年晶圆制造材料市场增长相对平缓，增幅为7%。预计2009年和2010年，增幅分别为9%和6%。

半导体材料市场发生的最重大的变化之一是封装材料市场的崛起。1998年封装材料市场占半导体材料市场的33%，而2008年该份额预计可增至43%。这种变化是由于球栅阵列、芯片级封装和倒装芯片封装中越来越多地使用碾压基底和先进聚合材料。随着产品便携性和功能性对封装提出了更高的要求，预计这些材料将在未来几年内获得更为强劲的增长。此外，金价大幅上涨使引线键合部分在2007年获得36%的增长。

与晶圆制造材料相似，半导体封装材料在未来三年增速也将放缓，2009年和2010年增幅均为5%，分别达到209亿美元和220亿美元。除去金价因素，且碾压衬底不计入统计，实际增长率为2%至3%。

四、半导体材料战略地位

20世纪中叶，单晶硅和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研制成功，导致了电子工业革命20世纪70年代初石英光导纤维材料和GaAs激光器的发明，促进了光纤通信技术迅速发展并逐步形成了高新技术产业，使人类进入了信息时代。超晶格概念的提出及其半导体超晶格、量子阱材料的研制成功，彻底改变了光电器件的设计思想，使半导体器件的设计与制造从“杂质工程”发展到“能带工程”。纳米科学技术的发展和应用，将使人类能从原子、分子或纳米尺度水平上控制、 *** 纵和制造功能强大的新型器件与电路，深刻地影响着世界的政治、经济格局和军事对抗的形式，彻底改变人们的生活方式

今日科创板我们一起梳理一下富信 科技 ，公司是国内外少数全产业链半导体热电技术解决方案及应用产品提供商之一，主营业务为半导体热电器件及以其为核心的热电系统、热电整机应用产品的研发、设计、制造与销售业务。

半导体热电技术解决方案能够广泛应用于消费电子、通信、医疗实验、 汽车 、工业、航天国防、油气采矿等众多领域。 其中，公司在消费电子领域应用市场已经深耕十余年，依靠研发优势、技术优势和全产业链的业务布局。公司以热电整机应用为技术解决方案载体，成功将半导体热电制冷技术与啤酒机、恒温床垫、冻奶机、冰淇淋机等众多创新性使用场景相结合，实现了半导体热电技术在消费领域的大规模产业化应用，满足了人们改善生活品质的个性化需求和对美好生活的向往。此外，公司依托多年来积累的研发经验和技术沉淀，积极拓展了半导体热电技术在通信、 汽车 等领域的终端应用市场。

尤其是在通信领域，针对目前高性能微型热电器件市场整体上仍由国际厂商或其在国内设立的子公司所主导的现状，公司抓住 2019 年 5G 网络建设的兴起带来的高性能微型热电器件市场需求机遇，在半导体热电器件的热电性能、可靠性方面实现技术突破，成功研制了用于 5G 网络中光模块温控的高性能微型热电制冷器件，并已向客户小批量供货 。

半导体热电技术主要包括半导体热电制冷技术和温差发电技术两个应用方向，分别利用了半导体材料的佩尔捷效应（Peltier effect）和泽贝克效应（Seebeckeffect）实现了电能和热能之间的相互转换，是一种环保型制冷技术和绿色能源技术 。

根据 MarketsandMarkets 的报告数据，2017 年至 2019 年，半导体温差发电系统市场规模分别为 3.99 亿美元、4.26 亿美元、4.60 亿美元，预计 2025 年将达到 7.41 亿美元。

根据 MarketsandMarkets 的报告数据，2016 年至 2018 年，半导体热电器件在消费电子产品应用领域的对外销售市场规模分别为 1.05 亿美元、1.18 亿美元、1.31 亿美元，预计 2024 年将达到 2.31 亿美元。2017 至 2020 年 1-6 月，公司应用于消费电子领域的半导体热电器件产品销售收入分别为 4,981.23 万元、5,615.21 万元、5,560.24 万元，2,882.56 万元，仍存在较大的存量及增量市场空间。

根据 MarketsandMarkets 的报告数据，2016年至 2018 年，半导体热电器件在通信应用领域的对外销售市场规模分别为 1.02亿美元、1.11 亿美元、1.20 亿美元，预计 2024 年将达到 1.74 亿美元。

除了消费电子和通信领域，半导体热电制冷技术在其他领域也有着广泛应用。在医疗领域，主要用于冷敷设备、便携式胰岛素盒、移动药箱，以及 PCR 测试仪等实验室中各种仪器仪表、检测设备的温度控制；在 汽车 领域，主要用于车载冰箱、车载恒温杯架、 汽车 调温座椅，以及人机交互设备、动力电池、传感器等设备的热管理；在工业领域，可用于对冷源展示仪、烟气冷却、CCD 图像传感器、激光二极管、露点测定仪等产品的精准控温；在航天国防领域，可用于探测器和传感器的温度控制、激光系统冷却、飞行服温度调节、设备外壳冷却等。

按照细分应用领域不同，半导体热电器件及热电系统市场呈现出不同的竞争格局。根据 MarketsandMarkets 和 Transparency 的市场调研报告，以及行业内主要企业官方网站的相关业务介绍， 目前应用于通信、 汽车 、航空国防等领域的高性能半导体热电器件及热电系统市场，主要掌握在日本 Ferrotec、KELK Ltd.，俄罗斯 RMT，美国 Phononic、Gentherm 等外资企业或其在国内设立的子公司手中 ，这些企业技术实力雄厚，在相关领域具有先发优势和丰富的行业经验。而国内大部分企业由于起步较晚，还处于技术提升阶段，技术水平与国际先进水平相比尚有一定差距。

目前，热电整机应用产品市场主要参与者为我国内资企业及国外品牌厂商在国内设立的生产企业。其中，在外销市场，我国内资企业主要通过 ODM 模式为国外品牌厂商代工生产，而在内销市场则主要采用 ODM 和自主品牌经营相结合的模式。

由于热电整机应用市场发展时间较短，尚处于成长阶段，各类新型技术解决方案亦层出不穷，行业内尚未形成具有垄断效应或具有显著品牌优势的企业。 未来，随着热电整机应用产品功能需求的日渐提升，以及欧美发达国家对热电整机应用产品的能效、环保标准要求越来越高，具有较强研发能力的热电整机应用制造企业将在市场竞争中取得优势，市场集中度将逐渐提升。

从下游应用市场的认可度看，在消费电子领域，公司与国内外知名电器品牌SEB、伊莱克斯、美的，日本 时尚 家居品牌 Bruno、知名咖啡机品牌优瑞（Jura）建立了良好的合作关系；在通信领域，公司最新开发的高性能微型热电制冷器件产品已于 2020 年向客户小批量供货。

从市场占有率看，根据智研咨询的统计数据，2019 年中国出口的半导体制冷式家用型冷藏箱金额为 22,871.60 万美元，约合人民币 160,101.20 万元，2019年公司出口的热电整机应用产品中半导体制冷式家用型冷藏箱（包括啤酒机、恒温酒柜、电子冰箱、冻奶机）产品金额为 31,657.03 万元，约占当年该类产品中国出口总额的 19.77% 。

公司热电整机应用、热电系统业务在 A 股上市公司和新三板挂牌公司中无可比公司，热电器件业务与新三板挂牌公司富连京（872240.OC）具有一定的可比性。

一、国内知名的半导体热电器件生产企业

富信 科技 前身佛山市顺德区富信制冷设备有限公司成立于2003年，公司主营单级热电制冷器件、冰胆、酒柜冰箱系统、以及恒温酒柜、电子冰箱等产品；2006公司正式更名为广东富信电子 科技 有限公司；2009年公司微型热电器件、多级热电制冷器件问世；2011年公司成功研发温差发热器件、通讯基站电池柜系统；2013年公司完成股份制改造，正式更名为“广东富信 科技 股份有限公司”；2014年公司的啤酒机系统（2L）、床垫系统、恒温床垫、380L大容积酒柜、啤酒机（2L）上市；2015年冰淇淋机系统、冰淇淋机产品试产成功并量化生产；2016年高性能温差发电器件等新产品上市；2017年公司热电制冷技术研发成果显著，成功研制冷热循环器件、大功率热电制冷器件，同时、热管静音系统、烟气冷却系统问世，新型冻奶机及静音冰箱上市；2018年除湿机系统完成小批量试制；2019年高性能单极热电制冷器件、冷源展示仪系统、植物培养箱系统以及节能酒柜等产品量产；2020年公司生产的高端半导体热电制冷器件可靠性达到GR-468-CORE和 MIL-STD-883两项国际先进测试标准的要求，除湿机、节能冰箱的研制进一步丰富公司主营产品；2021年科创板上市。

二、业务分析

2017-2020年，营业收入由5.12亿元增长至6.24亿元，复合增长率6.82%，20年实现营收同比下降0.32%；归母净利润由0.30亿元增长至0.74亿元，复合增长率35.11%，20年实现归母净利润同比增长2.78%；扣非归母净利润由0.31亿元增长至0.67亿元，复合增长率29.29%，20年实现扣非归母净利润同比下降6.94%；经营活动现金流分别为0.43亿元、0.09亿元、1.30亿元、0.65亿元，20年实现经营活动现金流同比下降50.00%。

分产品来看，2020年半导体热电器件实现营收0.79亿元，占比12.62%；半导体热电系统实现营收1.44亿元，占比23.06%；覆铜板实现营收0.28亿元，占比4.42%；热电整机应用实现营收3.54亿元，占比56.79%；陶瓷基板实现营收0.00亿元，占比0.03%；整机散、配件实现营收0.19亿元，占比3.08%。

2019年公司前五大客户实现营收2.67亿元，占比42.59%，其中第一大客户实现营收1.45亿元，占比23.17%。

三、核心指标

2017-2020年，毛利率由23.11%提高至28.43%；期间费用率18年下降至8.70%，随后逐年上涨至10.15%，其中销售费用率由5.73%下降至4.22%，管理费用率由4.42%上涨至18年高点5.12%，20年下降至4.57%，财务费用率18年下降至低点-0.89%，随后逐年下降上涨至1.36%；利润率由5.88%提高至12.06%，加权ROE由15.39%提高至19年高点25.74%，20年下降至23.10%。

四、杜邦分析

净资产收益率=利润率*资产周转率*权益乘数

由图和数据可知，18年净资产收益率的提高是由于利润率和资产周转率的提高，19年净资产收益率的提高是由于利润率的提高，20年净资产收益率的下降是由于权益乘数和资产周转率的下降。

五、研发支出

2017-2020H1公司研发费用分别为 1,845.59 万元、2,281.50 万元、2,687.50 万元和 985.75 万元，占比分别为3.61%、3.79%、4.29%、3.96%。

看点：

半导体热电制冷技术凭借其不可替代的灵活性、多样性、可靠性等优势和特点，成为支撑诸多现代产业的关键技术，能够广泛应用于消费电子、通信、医疗实验、 汽车 、工业、航天国防、油气采矿等领域，随着热电技术的进步和推广，其下游应用不断成熟，新产品不断涌现，市场需求呈现出逐年增长的态势。消费电子领域是公司目前产品的主要实际应用方向，通信领域是公司未来的重点拓展方向。

热电材料种类繁多，如PbTe、ZnSb、SiGe、AgSbTe2、GeTe、CeS及某些Ⅱ-V族。Ⅱ-Ⅵ族、V-Ⅵ族化合物和固溶体，目前已有一百余种。按工作温度分类，可分4大类： 工作温度可高达数千度，主要使用于极高温度的热源。主要材料有Cu2s·Cu8Te2S等。目前，液态材料还处于研究阶段。按功能分类，可分为两大类：

(1)温差发电材料。主要有ZnSb、PbTe、GeTe、SiGe等合金材料。半导体温差发电机的特点是：无噪声、无磨损、无振动、可靠性高、寿命长；维修方便；易于控制和调节，可全天候工作；可替代电池。半导体温差发电机的热源，可用煤油、石油气以及利用Pu238、sr90、Po210等放射性同位素。

(2)温差致冷材料。主要是铋、锑、硒、碲组成的固溶体，通常是由Bi—Sb—Te组成p型材料，Bi—Se—Te组成n型材料。目前，半导体致冷器所用材料是Bi2Te3、Sb2Te3、Bi2Se3及其固溶体，其优值系数z为2～3×10-3/℃。通常把若干对温差电偶排列成阵、组成半导体致冷电堆或组成级联式致冷电堆。目前，一级半导体致冷电堆可达-40℃，两级或三级的致冷器，其致冷温度可达-80℃到-100℃。当然，致冷温度愈低，效率和产冷量就愈低。

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