一文淺讀半導體產業

半導體是電子產品的核心，信息產業的基石。半導體晶元是許多工業設備的核心，普遍應用於計算機、消費類電子、網路通信和汽車電子等核心領域。作為尖端科技和高附加值的產業，半導體具有重大的戰略意義。那麼半導體是一種什麼材料？主要由哪些部分組成？其在電子產業中處於何種地位？本期主要簡單介紹半導體產業及國內半導體材料的發展現狀。

一、概念

自然界的物質、材料按導電能力大小可分為導體、半導體和絕緣體三大類。半導體（ semiconductor）是一類常溫下導電性能介於導體（conductor）與絕緣體（insulator）之間的材料，電阻率約在1mΩ·cm～1GΩ·cm範圍內），導電性可受控制。常見的半導材料包括硅、鍺、砷化鎵等，其中硅是目前商業應用最為廣泛的半導體材料。

半導體材料性能比較（來源：公開資料）

第一代半導體又稱為「元素半導體」，如硅基和鍺基半導體，其中硅基半導體技術較成熟。目前，全球95%以上的半導體晶元和器件是用矽片作為基礎功能材料而生產出來的。以硅材料為代表的第一代半導體材料，取代了笨重的電子管，推動了以集成電路為核心的微電子工業的發展和整個IT 產業的飛躍，廣泛應用於信息處理和自動控制等領域。

硅元素

20世紀50年代，鍺在半導體中逐漸佔主導地位，主要應用於低壓、低頻、中功率晶體管以及光電探測器中，但由於鍺基半導體器件的耐高溫和抗輻射性能較差，到60年代後期逐漸被硅基器件取代。

目前市場上在使用的矽片有 200mm（8 英寸）、300mm（12 英寸）矽片。由於晶圓面積越大，在同一晶圓上可生產的集成電路IC越多，成本越低，矽片的發展趨勢也是大尺寸化。12英寸矽片主要用於生產90nm-28nm及以下特徵尺寸（16nm和14nm）的存儲器、數字電路晶元及混合信號電路晶元，是當前晶圓廠擴產的主流。

第二代半導體材料是化合物半導體，由於化合物半導體的電子遷移率快於硅半導體並且具有直接帶隙，因此適用高頻傳輸以及發光領域。化合物半導體以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）和氮化鎵（GaN）等為代表，包括許多其它III-V族化合物半導體。這些化合物中，商業半導體器件中用得最多的是砷化鎵（GaAs）和磷砷化鎵（GaAsP），磷化銦（InP），砷鋁化鎵（GaAlAs）和磷鎵化銦（InGaP）。其中以砷化鎵技術較成熟，應用也較廣。

第三代半導體材料，主要包括SiC、GaN、金剛石等，因其禁帶寬度（Eg）大於或等於2.3電子伏特（eV），又被稱為寬禁帶半導體材料。第三代半導體材料具有高熱導率、高擊穿場強、高飽和電子漂移速率和高鍵合能等優點，適用於高溫、高功率、高壓、高頻以及抗輻射等惡劣條件。

從目前寬禁帶半導體材料和器件的研究情況來看，研究重點多集中於碳化硅（SiC） 和氮化鎵（GaN）技術，其中SiC 技術最為成熟，研究進展也較快；而GaN 技術應用廣泛，尤其在光電器件應用方面研究比較深入。氮化鋁、金剛石、氧化鋅等寬禁帶半導體技術研究報道較少，但頗具發展潛力。

從器件角度，半導體可分為集成電路、分立元件、光電子器件，感測器四大類。半導體位於電子行業的中游，上游是電子材料和設備。半導體和被動元件以及模組器件通過幾成電路板鏈接，構成智能手機、PC等電產品的核心部件，承擔信息的載體和傳輸功能，成為信息化社會的基石。

二、發展歷程

從1947年晶體管被發明起，半導體出始作為軍用，直到70年代，開始了其商業化應用過程。智能移動設備等電子產品需求的快速增長帶動了半導體產業的發展，根據WSTS數據統計，2017年全球半導體行業銷售收入達到4087億美元，同比增長20.6%，首破4000億美元大關。半導體市場的增長將擴大上游包括濺射靶材、電子特種氣體和CMP研磨液和研磨墊等半導體核心材料的需求。

半導體行業市場規模（資料來源：SIA，Wind）

自從1947年美國貝爾實驗室製造出全球第一個晶體管至今，隨著技術和市場的不斷變化，經歷了多次結構調整之後，全球半導體產業已完成了兩次空間上的產業轉移，目前正藉助消費電子向中國轉移。

半導體產業全球價值鏈轉移

起源美國。20世紀50年代，半導體行業起源於美國，主要由系統廠商主導，最初形態為垂直整合模式。在半導體發展初期，美國一直佔主導地位。

第一次產業轉移發生在20世紀60年代，半導體產業逐漸向日本轉移。日本政府通過高關稅等限制措施和引導資源向半導體產業傾斜的雙重手段，實現半導體產業跳躍性發展，規模於1985年首次超越美國。

20世紀90年代，亞太地區興起了半導體產業的第二次轉移，半導體產業在韓國和台灣迅速發展。韓國半導體產業受到政府大力支持，藉助PC發展的東風，突破了半導體存儲器技術，出現了一批類似於三星電子處於全球前列的半導體廠商。台灣因其開創專業分工化模式，成為全球第四大半導體生產基地，晶圓代工、封裝、測試都位居世界第一。

21世紀以來，中國由於具備勞動力成本優勢及巨大的市場需求和優惠政策支持，藉助消費電子產品驅動，正在承接第三次半導體產業轉移。

三、半導體產業構成

半導體行業因具有下游應用廣泛、生產技術工序多、產品種類多、技術更新換代快、投資高風險大等特點，產業鏈從集成化到垂直化分工越來越明確。

半導體產業鏈（來源：中國產業信息網）

半導體產業由上游、中游、下游三大部分組成，上游包括材料和設備兩部分，中游包括設計、製造、封測三大環節。下游主要是主機廠商。半導體設備是產業發展的基礎，國內半導體設備是薄弱環節，尤其是干法刻蝕設備、塗布顯影設備、CVD設備、濺射製備等領域；對於半導體製造材料中的掩膜版、光刻膠、CMP拋光液等材料，國內企業普遍不具備相應的生產能力。在中游環節中，IC設計方面，華為海思設計水平位於國內首位；IC製造方面，中芯國際集成電路的製造工藝處於國內第一位，但與世界水平相比還具有較大差距；IC封裝方面長電的封裝測試能力總規模位列世界前三。

半導體材料作為半導體產業鏈的重要組成部分，從目前國內產業發展現狀看，其差距甚至大於晶元設計以及製造環節。目前在本土生產線上的國產材料的使用率不足15%，高端製造和先進封裝領域，半導體材料的國有化更低，本土國內材料替代形勢嚴峻，且部分產品面臨嚴重的專利技術封鎖。具體涉及的材料包括矽片、光刻膠、靶材、超凈高純試劑、CMP拋光材料、電子特氣等，下面僅簡要列舉介紹幾種材料。

硅晶圓是集成電路的基體，通過對砂石原料硅提純、拉晶、切片、圓邊及研磨幾個步驟得到。按照其直徑可分為6英寸、8英寸和12英寸。尺寸越大，加工難度也越大。隨著電路集成度的提高，對大尺寸硅晶圓片的需求量增大。在半導體製造中，矽片和硅基材料佔比最高。

半導體製造材料佔比情況（來源：拓璞產業研究院）

光刻膠是將IC設計者將其設計圖形轉移到硅晶片上所使用的化學助劑，又稱為光致抗蝕劑。是由感光樹脂、光引發劑和溶劑等主要成分組成的對光敏感的混合液體。通過對塗布後的晶圓曝光，使刻蝕部分溶解得到相應圖形。

濺射是製備薄膜材料的主要技術之一，它利用離子源產生的離子，在真空中經過加速聚集，形成高速度能的離子束流，轟擊固體表面，使固體表面的原子離開固體並沉積在基底表面。濺射靶材就是被轟擊的固體。濺射靶材有金屬，合金，陶瓷化合物等。與傳統材料行業不同，濺射靶材的要求較高，對材料尺寸、純度、各項雜質含量、晶粒尺寸與缺陷控制；個別還有特殊要求等。

濺射靶材原理

在以上提及的半導體功能材料中，電子特氣體和CMP研磨材料也是半導體生產中的核心材料（有機會再詳細講解）。伴隨物聯網以及5G商用的臨近，AI技術逐步走向成熟，這些動力有望繼續推動半導體產業發展。國內集成電路自給率較低，國內需求巨大，在國家政策、大基金以及終端應用市場的推動下，國內半導體產業將迎來歷史性發展機遇。

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