公司深度国产替代最有可能形成突破的半导体

功率半导体行业背景：

功率器件原理：

功率器件特指转换并控制电力的功率半导体器件。电力转换包括转换一个或多个电压、电流或频 率；功率控制指控制输入和输出的功率大小。（电力转换 核心 目标是提高能量转换率、减少功率损耗。关断时没有漏电，导通时没有电压损失， 在开关切换时没有功率损耗。电力控制 核心 是使用最小的输入控制功率保证输出功率的大小和时延。）

半导体器件分类：

功率半导体应用范围

功率半导体下游应用广泛，基本上涉及到电力系统的地方都会使用功率器件。下游应用领域主要可分为几大部分： 消费电子、新能源 汽车 、可再生能源发电及电网、轨道交通、白色家电、工业控制，市场规模呈现稳健增长态势。

功率半导体发展

功率半导体分类及特点

功率器件性能对比

功率半导体市场规模

功率半导体用于所有电力电子领域，市场成熟稳定且增速缓慢。行业发展主要依靠新兴领域如新 能源 汽车 、可再生能源发电、变频家电等带来的巨大需求缺口。成熟市场规模：根据IHS Markit 数据显示2018年全球功率器件市场规模为391亿美元， 中国功率市场规模为138亿美元 ，全球占比 35%。

纯增量市场规模：我们主要测算了国内新能源 汽车 、充电桩、光伏和风电四个领域中应用功率半导体市场空间。

①新能源 汽车 领域市场需求到2025年约160亿元，2030年约275亿元。

②公共直流充电桩领域2020-2025年累计市场需求约140亿元，2025-2030年累计需求约400亿元。

③光伏领域2020-2025年累计市场需求约50亿元，随政策调整有望进一步增长。

④风电领域2020-2024 年累计市场需求约30亿元。整体看，国内功率半导体市场2025年四个领域提供纯增量规模预计达 200亿元。

根据Omdia数据显示，2018年全球排名前十功率半导体企业来自于美国、欧洲和日本，合计市占率达60%。国内功率半导体市场自给率偏低，中高端功率MOSFET和IGBT自给率不足10%，国产替代空间巨大。

行业发展趋势一：不需要追赶摩尔定律，倚重制程工艺、封装设计和新材料迭代，整体趋向集成 化、模块化

功率半导体整体进步靠制程工艺、封装设计和新材料迭代。设计环节：功率半导体电路结构简单， 不需要像数字逻辑芯片在架构、IP、指令集、设计流程、软件工具等投入大量资本。 制造 环节： 因不需要追赶摩尔定律，产线对先进设备依赖度不高，整体资本支出较小。封装环节：可分为分 立器件封装和模块封装，由于功率器件对可靠性要求非常高，需采用特殊设计和材料，后道加工价值量占比达35%以上，远高于普通数字逻辑芯片的10%。

行业发展趋势二：新能源与5G通信推动第三代半导体兴起

新能源、5G等新兴应用加速第三代半导体材料产业化需求，我国市场空间巨大且有望在该领域快 速缩短和海外龙头差距。①天时：第三代材料在高功率、高频率应用场景具有取代硅材潜力，行业整体处于产业化起步阶段。②地利：受下游新能源车、5G、快充等新兴市场需求以及潜在的硅材替换市场驱动，目前深入研究和产业化方向以SiC和GaN为主，国内市场空间巨大。③人和：第三代半导体核心难点在材料制备，其他环节可实现国产化程度非常高，加持国家在政策和资金方 面大力支持。我们认为该行业技术追赶速度更快、门槛准入较低、国产化程度更高，中长期给国内功率半导体企业、衬底材料供应商带来更多发展空间确定性更强。

行业发展趋势三：IDM模式更适合功率半导体行业，代工可以提供产能、工艺技术补充

海外功率半导体龙头企业都采用IDM模式，国内功率半导体行业商业模式以IDM为主，设计+代工为辅。

国内上市公司

国内功率半导体发展分析

企业简介：

公司主营业务是以IGBT为主的功率半导体芯片和模块的设计研发和生产，并以IGBT模块形式对外实现销售。IGBT模块的核心是IGBT芯片和快恢复二极管芯片，公司自主研发设计的IGBT芯片和快恢复二极管芯片是公司的核心竞争力之一。公司总部位于浙江嘉兴，在上海和欧洲均设有子公司，并在国内和欧洲均设有研发中心。

自2005年成立以来，公司一直致力于IGBT芯片和快恢复二极管芯片的设计和工艺及IGBT模块的设计、制造和测试，公司的主营业务及主要产品均未发生过变化。2019年，IGBT模块的销售收入占公司销售收入总额的95%以上，是公司的主要产品。

股权结构：

斯达的创始人，深耕 IGBT 领域十五年：

董事长兼创始人沈华（1963 年），于1995 年获得美国麻省理工学院（MIT）材料学博士学位，1995年7月至1999年7月任西门子半导体部门（英飞凌前身，1999 年成为英飞凌公司）高级研发工程师，1999 年 8 月至 2005 年任赛灵思公司高级项目经 理。

胡畏（1964 年），副总经理，1994年获美国斯坦福大学工程经济系统硕士学位。 1987年至1990年任北京市计算中心助理研究员，1994年至1995年任美国汉密尔顿证券商业分析师，1995 年至2001年任美国 ProvidianFinancial 公司市场总监，执行高级副总裁助理，公司战略策划部经理。2005 年回国创办公司。

从前十大流通股东来看，多只公募基金二季度新进前十大股东。2季度均价150。

财务介绍：

摸鱼打分73分，ROE8.21%，2020年上半年，公司实现营业收入41,647.84万元，较2019年上半年同期增长13.65%，实现归属于上市公司股东的净利润8,067.11万元，较2019年上半年同期增长25.30%，扣除非经常性损益的净利润6,903.77万元，较2019年上半年同期增长31.00%。同时，公司主营业务收入在各细分行业均实现稳步增长： （1）公司工业控制和电源行业的营业收入为32,924.94万元，较上年同期增长15.86%；（2）公司新能源行业营业收入为6,981.03万元，较上年同期增长6.03%；（3）公司变频白色家电及其他行业的营业收入为1,649.38万元，较上年同期增长12.35%。

PE200倍，处于 历史 66%位置，PB28.72倍， 历史 66%的位置。

公司看点：

公司采用以市场为导向，以技术为支撑，通过不断的研发创新，开发出满足客户需求的具有市场竞争力的功率半导体器件，为客户提供优质的产品和技术服务。

公司产品生产环节主要分为 芯片和模块设计、芯片外协制造、模块生产 三个阶段。

阶段一：芯片和模块设计。公司产品设计包含IGBT芯片、快恢复二极管芯片的设计和IGBT模块的设计。本阶段公司根据客户对IGBT关键参数的需求，设计出符合客户性能要求的芯片；根据客户对电路拓扑及模块结构的要求，结合IGBT模块的电性能以及可靠性标准，设计出满足各行业性能要求的IGBT模块。

阶段二：芯片外协制造。公司根据阶段 一 完成的芯片设计方案委托第三方晶圆代工厂如上海华虹、上海先进等外协厂商外协制造自主研发的芯片，公司在外协制造过程中提供芯片设计图纸和工艺制作流程，不承担芯片制造环节。

阶段三：模块生产。模块生产是应用模块原理，将单个或多个如IGBT芯片、快恢复二极管等功率芯片用先进的封装技术封装在一个绝缘外壳内的过程。由于模块外形尺寸和安装尺寸的标准化及芯片间的连接已在模块内部完成，因此和同容量的器件相比，具有体积小、重量轻、结构紧凑、可靠性高、外接线简单、互换性好等优点。公司主要产品IGBT模块集成度高，内部拓扑结构复杂，又需要在高电压、大电流、高温、高湿等恶劣环境中运行，对公司设计能力和生产工艺控制水平要求高。本阶段公司根据不同产品需要采购相应的芯片、DBC、散热基板等原材料，通过芯片贴片、回流焊接、铝线键合、测试等生产环节，最终生产出符合公司标准的IGBT模块。

公司销售主要采取直销的方式进行销售，根据下游客户的分布情况，除嘉兴总部外在全国建立了六个销售联络处，并于瑞士设立了控股子公司斯达欧洲，负责国际市场业务开拓和发展。

下游应用：

中国工控 IGBT 市场按照总体 150 亿 RMB 工控占比 29%计算大约在 44 亿 RMB。 按照国内复合增速 5%，则 2025 年国内工控的市场空间约为 60 亿元；这一块是斯达半导的基本盘，行业需求分散稳定且波动相对较小。英威腾和汇川技术等工控领域国内 领军公司一直都是斯达半导排名第一第二的大客户。

疫情加速了国内下游工控行业的国产替代进程，疫情同时阻碍了英飞凌等 IGBT 产品进入国内。斯达工控 IGBT 可能处于下游本 土需求增加+加速替代国外龙头提升份额的有利局面，预计在后疫情时代工控 IGBT 领 域持续提升市占率的过程也将持续。

IGBT 占新能源车成本近 8%，且是纯增量产品。 IGBT 模块在新能源 汽车 领域中发挥着至关重要的作用，被广泛应用于电机控制器、车载空调、充电桩等设备。IGBT 模块的作用是交流电和直流电的转换，同时IGBT模块还承担电压的高低转换的功能。新能源 汽车 外接充电时候是交流电，需要通过 IGBT模块转变成直流电然后给电池，同时要把交流电压转换成适当的电压以上才能给电池组充电。

在电动车领域主要应用分三类： 1）电驱动系统：IGBT 模块将直流变交流后驱动 汽车 电机（电控模块）； 2）车载空调变频与制热：小功率直流/交流逆变，这个模块工作电压不高，单价相对也低一些； 3）充电桩中 IGBT模块被用作开关使用：直流充电桩中 IGBT模块的成本占比接 近 20%；

电池成本占比最大，一般来说可以占到约电动车总成本 40%以上；2）成本占比第二大的是电机驱动系统,可以达到电动车总成本的 15%~20%,而 IGBT则占到电机驱动系统成本 40%-50%，等价于 IGBT 占新能源车总成本接近 8%的比例。

并且，对于IGBT来说，新能源 汽车 对 IGBT 需求是纯增量，因为传统燃油车功率半导体器件电压低，只需要Si基的 MOSFET，而新能源 汽车 在 600V以上MOSFET无法达到要求，必须要换成 IGBT；因此 IGBT 是仅次于电池以外第二大受益的零部件。

斯达在家电 IPM 和光伏风电等都有相关布局，但是营收占比还相对较小，19 年占比在 4%左右，可能和市场空间相对较小，公司选择先攻克工控和新能源 汽车 的战略有关，在供应链安全因为外部环境受到威胁的大背景下，斯达未来在这一块不断增长的利基市场还是有比较大的替代潜力，是斯达的潜在期权增量领域。

行业地位：

由于IGBT对设计及工艺要求较高，而国内缺乏IGBT相关技术人才，工艺基础薄弱且企业产业化起步较晚，因此IGBT市场长期被大型国外跨国企业垄断，国内市场产品供应较不稳定；随着国内市场需求量逐步增大，供需矛盾愈发突显。我国政府于《中国制造2025》中明确提出核心元器件国产化的要求，“进口替代”已是刻不容缓。公司具备自主研发设计国际主流IGBT芯片和快恢复二极管芯片的能力和先进的模块设计及制造工艺水平，全面实现了IGBT和快恢复二极管芯片及模块的国产化，是国内IGBT行业的领军企业。

根据全球著名市场研究机构IHS在2019年发布的最新报告，2018年度公司在全球IGBT模块市场排名第八，市场占有率2.2%，是唯一进入前十的中国企业。

未来看点：

短期看工控IGBT ：20年疫情背景加速了下游如汇川技术等客户变频器/伺服等产品的国产替代（汇川中报业绩预告高速增长），同时斯达竞争对手英飞凌等产能受限物流受阻，斯达工控IGBT目前处于客户高增长和竞争对手暂时受阻碍的有利局面，二三季度边际向好确定，未来2年工控IGBT是斯达的基本盘；

中期看车载IGBT ：车载IGBT行业增速快于工控，且认证慢，安全性和产品性能要求高；斯达前期车载IGBT产品持续研发布局，累计给20家车企客户进行小批量配套供货，预计接下来将迎来收获期，且恰逢IPO扩产增加车载IGBT产能，预计车载IGBT将较快起量，是公司20-25年增长最快的细分领域；新能源 汽车 业务进展顺利，新增多个项目定点。上半年新能源乘用车销量大幅下滑的背景下，公司新能源领域营收仍小幅增长，估计公司已成为低功率电动车细分领域最大的IGBT模块供应商，同时斩获了多个国内外知名车型平台定点，将在2022年开始SOP。另外，48V功率器件开始大批量装车应用，出货量有望继续上升。

长期看SIC布局 ：斯达对SIC持续投入研发，并和宇通等联合开发基于SIC的电机控制系统，预计2024年左右国内会迎来SIC器件渗透率拐点，测算不同SIC渗透率和斯达在IGBT/SIC器件不同市占率下斯达2025年的收入，显示2025年斯达收入在42亿-64亿之间，净利率20%左右。

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积体电路的电子材料。

基本介绍中文名 ：半导体材料 外文名 ：semiconductor material 分类 ：电子材料 导电能力 ：介于导体与绝缘体之间 电阻率 ：1mΩ·cm～1GΩ·cm 作用 ：可用来制作半导体器件和积体电路 特性 ：半导体电导率随温度的升高而升高 简介,主要种类,新型材料,实际运用,相关材料,特性信息,特性参数,特性要求,材料工艺,套用发展,早期套用,发展现状,战略地位, 简介 自然界的物质、材料按导电能力大小可分为导体、半导体和绝缘体三大类。半导体的电阻率在1mΩ·cm～1GΩ·cm范围（上限按谢嘉奎《电子线路》取值，还有取其1/10或10倍的；因角标不可用，暂用当前描述）。在一般情况下，半导体电导率随温度的升高而升高，这与金属导体恰好相反。 凡具有上述两种特征的材料都可归入半导体材料的范围。反映半导体内在基本性质的却是各种外界因素如光、热、磁、电等作用于半导体而引起的物理效应和现象，这些可统称为半导体材料的半导体性质。构成固态电子器件的基体材料绝大多数是半导体，正是这些半导体材料的各种半导体性质赋予各种不同类型半导体器件以不同的功能和特性。半导体的基本化学特征在于原子间存在饱和的共价键。作为共价键特征的典型是在晶格结构上表现为四面体结构,所以典型的半导体材料具有金刚石或闪锌矿(ZnS)的结构。 由于地球的矿藏多半是化合物，所以最早得到利用的半导体材料都是化合物,例如方铅矿(PbS)很早就用于无线电检波，氧化亚铜(Cu2O)用作固体整流器，闪锌矿(ZnS)是熟知的固体发光材料，碳化矽(SiC)的整流检波作用也较早被利用。硒(Se)是最早发现并被利用的元素半导体，曾是固体整流器和光电池的重要材料。元素半导体锗（Ge）放大作用的发现开辟了半导体历史新的一页，从此电子设备开始实现电晶体化。中国的半导体研究和生产是从1957年首次制备出高纯度(99.999999%～99.9999999%) 的锗开始的。采用元素半导体矽（Si）以后，不仅使电晶体的类型和品种增加、性能提高，而且迎来了大规模和超大规模积体电路的时代。以砷化镓(GaAs)为代表的Ⅲ－Ⅴ族化合物的发现促进了微波器件和光电器件的迅速发展。 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。 元素半导体 　在元素周期表的ⅢA族至IVA族分布著11种具有半导性 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套用最广的两种材料。 半导体材料 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,它们在套用方面仅次于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套用范围方面起很大作用。 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。 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套用。 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。 新型材料 其结构稳定，拥有卓越的电学特性，而且成本低廉，可被用于制造现代电子设备中广泛使用的场效应电晶体。 科学家们表示，最新研究有望让人造皮肤、智慧型绷带、柔性显示屏、智慧型挡风玻璃、可穿戴的电子设备和电子墙纸等变成现实。 昂贵的原因主要因为电视机、电脑和手机等电子产品都由矽制成，制造成本很高而碳基(塑胶)有机电子产品不仅制造方便、成本低廉，而且轻便柔韧可弯曲，代表了“电子设备无处不在”这一未来趋势。 以前的研究表明，碳结构越大，其性能越优异。但科学家们一直未曾研究出有效的方法来制造更大的、稳定的、可溶解的碳结构以进行研究，直到此次祖切斯库团队研制出这种新的用于制造电晶体的有机半导体材料。 有机半导体是一种塑胶材料，其拥有的特殊结构让其具有导电性。在现代电子设备中，电路使用电晶体控制不同区域之间的电流。科学家们对新的有机半导体材料进行了研究并探索了其结构与电学属性之间的关系。 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。 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。直拉法套用最广，80%的矽单晶、大部分锗单晶和锑化铟单晶是用此法生产的，其中矽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矽单晶。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，用此法生长高纯矽单晶。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。 相关材料 单晶制备 为了消除多晶材料中各小晶体之间的晶粒间界对半导体材料特性参量的巨大影响，半导体器件的基体材料一般采用单晶体。单晶制备一般可分大体积单晶(即体单晶)制备和薄膜单晶的制备。体单晶的产量高，利用率高，比较经济。但很多的器件结构要求厚度为微米量级的薄层单晶。由于制备薄层单晶所需的温度较低，往往可以得到质量较好的单晶。具体的制备方法有：①从熔 体中拉制单晶：用与熔体相同材料的小单晶体作为籽晶，当籽晶与熔体接触并向上提拉时，熔体依靠表面张力也被拉出液面，同时结晶出与籽晶具有相同晶体取向的单晶体。②区域熔炼法制备单晶：用一籽晶与半导体锭条在头部熔接，随着熔区的移动则结晶部分即成单晶。③从溶液中再结晶。④从汽相中生长单晶。前两种方法用来生长体单晶，用提拉法已经能制备直径为200毫米,长度为1～2米的锗、矽单晶体。后两种方法主要用来生长薄层单晶。这种薄层单晶的生长一般称外延生长，薄层材料就生长在另一单晶材料上。这另一单晶材料称为衬底，一方面作为薄层材料的附着体，另一方面即为单晶生长所需的籽晶。衬底与外延层可以是同一种材料(同质外延)，也可以是不同材料（异质外延）。采用从溶液中再结晶原理的外延生长方法称液相外延；采用从汽相中生长单晶原理的称汽相外延。液相外延就是将所需的外延层材料(作为溶质，例如GaAs)，溶于某一溶剂（例如液态镓）成饱和溶液，然后将衬底浸入此溶液，逐渐降低其温度，溶质从过饱和溶液中不断析出，在衬底表面结晶出单晶薄层。汽相外延生长可以用包含所需材料为组分的某些化合物气体或蒸汽通过分解或还原等化学反应淀积于衬底上，也可以用所需材料为源材料，然后通过真空蒸发、溅射等物理过程使源材料变为气态，再在衬底上凝聚。分子束外延是一种经过改进的真空蒸发工艺。利用这种方法可以精确控制射向衬底的蒸气速率，能获得厚度只有几个原子厚的超薄单晶，并可得到不同材料不同厚度的互相交叠的多层外延材料。非晶态半导体虽然没有单晶制备的问题，但制备工艺与上述方法相似，一般常用的方法是从汽相中生长薄膜非晶材料。 半导体材料 宽频隙半导体材料 氮化镓、碳化矽和氧化锌等都是宽频隙半导体材料，因为它的禁频宽度都在3个电子伏以上，在室温下不可能将价带电子激发到导带。器件的工作温度可以很高，比如说碳化矽可以工作到600摄氏度；金刚石如果做成半导体，温度可以更高，器件可用在石油钻探头上收集相关需要的信息。它们还在航空、航天等恶劣环境中有重要套用。广播电台、电视台，唯一的大功率发射管还是电子管，没有被半导体器件代替。这种电子管的寿命只有两三千小时，体积大，且非常耗电；如果用碳化矽的高功率发射器件，体积至少可以减少几十到上百倍，寿命也会大大增加，所以高温宽频隙半导体材料是非常重要的新型半导体材料。 半导体材料 这种材料非常难生长，矽上长矽，砷化镓上长GaAs，它可以长得很好。但是这种材料大多都没有块体材料，只得用其它材料做衬底去长。比如说氮化镓在蓝宝石衬底上生长，蓝宝石跟氮化镓的热膨胀系数和晶格常数相差很大，长出来的外延层的缺陷很多，这是最大的问题和难关。另外这种材料的加工、刻蚀也都比较困难。科学家正在着手解决这个问题，如果这个问题一旦解决，就可以提供一个非常广阔的发现新材料的空间。 低维半导体材料 实际上这里说的低维半导体材料就是纳米材料，之所以不愿意使用这个词，发展纳米科学技术的重要目的之一，就是人们能在原子、分子或者纳米的尺度水平上来控制和制造功能强大、性能优越的纳米电子、光电子器件和电路，纳米生物感测器件等，以造福人类。可以预料，纳米科学技术的发展和套用不仅将彻底改变人们的生产和生活方式，也必将改变社会政治格局和战争的对抗形式。这也是为什么人们对发展纳米半导体技术非常重视的原因。 电子在块体材料里，在三个维度的方向上都可以自由运动。但当材料的特征尺寸在一个维度上比电子的平均自由程相比更小的时候，电子在这个方向上的运动会受到限制，电子的能量不再是连续的，而是量子化的，我们称这种材料为超晶格、量子阱材料。量子线材料就是电子只能沿着量子线方向自由运动，另外两个方向上受到限制；量子点材料是指在材料三个维度上的尺寸都要比电子的平均自由程小，电子在三个方向上都不能自由运动，能量在三个方向上都是量子化的。 半导体材料 由于上述的原因，电子的态密度函式也发生了变化，块体材料是抛物线，电子在这上面可以自由运动；如果是量子点材料，它的态密度函式就像是单个的分子、原子那样，完全是孤立的 函式分布，基于这个特点，可制造功能强大的量子器件。 大规模积体电路的存储器是靠大量电子的充放电实现的。大量电子的流动需要消耗很多能量导致晶片发热，从而限制了集成度，如果采用单个电子或几个电子做成的存储器，不但集成度可以提高，而且功耗问题也可以解决。雷射器效率不高，因为雷射器的波长随着温度变化，一般来说随着温度增高波长要红移，所以光纤通信用的雷射器都要控制温度。如果能用量子点雷射器代替现有的量子阱雷射器，这些问题就可迎刃而解了。 半导体材料 基于GaAs和InP基的超晶格、量子阱材料已经发展得很成熟，广泛地套用于光通信、移动通讯、微波通讯的领域。量子级联雷射器是一个单极器件，是近十多年才发展起来的一种新型中、远红外光源，在自由空间通信、红外对抗和遥控化学感测等方面有着重要套用前景。它对MBE制备工艺要求很高，整个器件结构几百到上千层，每层的厚度都要控制在零点几个纳米的精度，中国在此领域做出了国际先进水平的成果；又如多有源区带间量子隧穿输运和光耦合量子阱雷射器，它具有量子效率高、功率大和光束质量好的特点，中国已有很好的研究基础；在量子点（线）材料和量子点雷射器等研究方面也取得了令国际同行瞩目的成绩。 半导体材料 材料中的杂质和缺陷 杂质控制的方法大多数是在晶体生长过程中同时掺入一定类型一定数量的杂质原子。这些杂质原子最终在晶体中的分布，除了决定于生长方法本身以外，还决定于生长条件的选择。例如用提拉法生长时杂质分布除了受杂质分凝规律的影响外，还受到熔体中不规则对流的影响而产生杂质分布的起伏。此外,无论采用哪种晶体生长方法,生长过程中容器、加热器、环境气氛甚至衬底等都会引入杂质，这种情况称自掺杂。晶体缺陷控制也是通过控制晶体生长条件（例如晶体周围热场对称性、温度起伏、环境压力、生长速率等）来实现的。随着器件尺寸的日益缩小，对晶体中杂质分布的微区不均匀和尺寸为原子数量级的微小缺陷也要有所限制。因此如何精心设计，严格控制生长条件以满足对半导体材料中杂质、缺陷的各种要求是半导体材料工艺中的一个中心问题。 特性信息 特性参数 半导体材料虽然种类繁多但有一些固有的特性，称为半导体材料的特性参数。这些特性参数不仅能反映半导体材料与其他非半导体材料之间的差别，而且更重要的是能反映各种半导体材料之间甚至同一种材料在不同情况下特性上的量的差别。常用的半导体材料的特性参数有：禁频宽度、电阻率、载流子迁移率(载流子即半导体中参加导电的电子和空穴)、非平衡载流子寿命、位错密度。禁频宽度由半导体的电子态、原子组态决定，反映组成这种材料的原子中价电子从束缚状态激发到自由状态所需的能量。电阻率、载流子迁移率反映材料的导电能力。非平衡载流子寿命反映半导体材料在外界作用（如光或电场）下内部的载流子由非平衡状态向平衡状态过渡的弛豫特性。位错是晶体中最常见的一类晶体缺陷。位错密度可以用来衡量半导体单晶材料晶格完整性的程度。当然，对于非晶态半导体是没有这一反映晶格完整性的特性参数的。 半导体材料 特性要求 半导体材料的特性参数对于材料套用甚为重要。因为不同的特性决定不同的用途。 半导体材料 电晶体对材料特性的要求 ：根据电晶体的工作原理，要求材料有较大的非平衡载流子寿命和载流子迁移率。用载流子迁移率大的材料制成的电晶体可以工作于更高的频率（有较好的频率回响）。晶体缺陷会影响电晶体的特性甚至使其失效。电晶体的工作温度高温限决定于禁频宽度的大小。禁频宽度越大，电晶体正常工作的高温限也越高。 光电器件对材料特性的要求：利用半导体的光电导（光照后增加的电导）性能的辐射探测器所适用的辐射频率范围与材料的禁频宽度有关。材料的非平衡载流子寿命越大，则探测器的灵敏度越高，而从光作用于探测器到产生回响所需的时间(即探测器的弛豫时间)也越长。因此，高的灵敏度和短的弛豫时间二者难于兼顾。对于太阳能电池来说，为了得到高的转换效率，要求材料有大的非平衡载流子寿命和适中的禁频宽度(禁频宽度于1.1至1.6电子伏之间最合适)。晶体缺陷会使半导体发光二极体、半导体雷射二极体的发光效率大为降低。 温差电器件对材料特性的要求：为提高温差电器件的转换效率首先要使器件两端的温差大。当低温处的温度（一般为环境温度）固定时，温差决定于高温处的温度，即温差电器件的工作温度。为了适应足够高的工作温度就要求材料的禁频宽度不能太小，其次材料要有大的温差电动势率、小的电阻率和小的热导率。 材料工艺 半导体材料特性参数的大小与存在于材料中的杂质原子和晶体缺陷有很大关系。例如电阻率因杂质原子的类型和数量的不同而可能作大范围的变化，而载流子迁移率和非平衡载流子寿命 一般随杂质原子和晶体缺陷的增加而减小。另一方面，半导体材料的各种半导体性质又离不开各种杂质原子的作用。而对于晶体缺陷，除了在一般情况下要尽可能减少和消除外，有的情况下也希望控制在一定的水平，甚至当已经存在缺陷时可以经过适当的处理而加以利用。为了要达到对半导体材料的杂质原子和晶体缺陷这种既要限制又要利用的目的，需要发展一套制备合乎要求的半导体材料的方法，即所谓半导体材料工艺。这些工艺大致可概括为提纯、单晶制备和杂质与缺陷控制。 半导体材料 半导体材料的提纯“主要是除去材料中的杂质。提纯方法可分化学法和物理法。化学提纯是把材料制成某种中间化合物以便系统地除去某些杂质，最后再把材料（元素）从某种容易分解的化合物中分离出来。物理提纯常用的是区域熔炼技术，即将半导体材料铸成锭条，从锭条的一端开始形成一定长度的熔化区域。利用杂质在凝固过程中的分凝现象，当此熔区从一端至另一端重复移动多次后，杂质富集于锭条的两端。去掉两端的材料，剩下的即为具有较高纯度的材料（见区熔法晶体生长）。此外还有真空蒸发、真空蒸馏等物理方法。锗、矽是能够得到的纯度最高的半导体材料，其主要杂质原子所占比例可以小于百亿分之一。 套用发展 早期套用 半导体的第一个套用就是利用它的整流效应作为检波器，就是点接触二极体（也俗称猫胡子检波器，即将一个金属探针接触在一块半导体上以检测电磁波）。除了检波器之外，在早期，半导体还用来做整流器、光伏电池、红外探测器等，半导体的四个效应都用到了。 半导体材料 从1907年到1927年，美国的物理学家研制成功晶体整流器、硒整流器和氧化亚铜整流器。1931年，兰治和伯格曼研制成功硒光伏电池。1932年，德国先后研制成功硫化铅、硒化铅和碲化铅等半导体红外探测器，在二战中用于侦探飞机和船舰。二战时盟军在半导体方面的研究也取得了很大成效，英国就利用红外探测器多次侦探到了德国的飞机。 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，但随着晶片出货量增长，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， 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。 晶片制造材料占半导体材料市场的60%，其中大部分来自矽晶圆。矽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、晶片级封装和倒装晶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%。 战略地位 20世纪中叶，单晶矽和半导体电晶体的发明及其矽积体电路的研制成功，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雷射器的发明，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，使人类进入了资讯时代。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套用，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。

---