第一代半導(dǎo)體——硅的“逆天改命”之旅
我們身邊的材料可以根據(jù)導(dǎo)電性分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。金屬、石墨、人體等具有良好的導(dǎo)電能力，被稱為導(dǎo)體。橡膠、塑料、干木頭等是不導(dǎo)電的，或者說(shuō)導(dǎo)電能力極差，屬于絕緣體。而導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間的硅、鍺等材料，就是半導(dǎo)體。
半導(dǎo)體的起源可以追溯到19世紀(jì)，當(dāng)時(shí)科學(xué)家們開(kāi)始研究半導(dǎo)體材料，如鍺、硅。但“半導(dǎo)體”這個(gè)名詞大概到1911年才被考尼白格和維斯首次使用。
雖然半導(dǎo)體的四個(gè)基本物理特性——溫度效應(yīng)（電阻隨溫度的上升而下降）、光生伏特效應(yīng)（光照下產(chǎn)生電壓）、光電導(dǎo)效應(yīng)（光照下電導(dǎo)增加）、整流效應(yīng)（導(dǎo)電的方向性）在19世紀(jì)就被先后發(fā)現(xiàn)，但總結(jié)出半導(dǎo)體的這四個(gè)特性一直到1947年底才由位于美國(guó)新澤西州茉莉山的貝爾實(shí)驗(yàn)室完成。
1945年秋，貝爾實(shí)驗(yàn)室成立了以威廉·肖克利為首的半導(dǎo)體研究小組；1947年12月，小組研制出了點(diǎn)接觸型的鍺晶體管；1950年，第一只“PN結(jié)型晶體管”問(wèn)世，其性能與貝爾實(shí)驗(yàn)室半導(dǎo)體研究小組設(shè)計(jì)的完全一致，小組成員因此于1956年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
（威廉·肖克利）
晶體管是20世紀(jì)的一項(xiàng)重大發(fā)明，是微電子革命的先聲，也是今天一切智能電子產(chǎn)品的基礎(chǔ)單元，廣泛應(yīng)用于手機(jī)、電視、計(jì)算機(jī)、可穿戴設(shè)備等。晶體管集成數(shù)量和密度是決定一款芯片性能強(qiáng)弱的關(guān)鍵指標(biāo)之一。比如，蘋(píng)果11系列手機(jī)搭載的A13芯片，擁有85億個(gè)晶體管；僅時(shí)隔4年，蘋(píng)果15 Pro 手機(jī)搭載的A17 Pro芯片，晶體管數(shù)量已經(jīng)達(dá)到190億個(gè)。 晶體管可以簡(jiǎn)單地理解為一種微型的開(kāi)關(guān)，通過(guò)不同的組合設(shè)計(jì)，具有整流、放大、開(kāi)關(guān)、穩(wěn)壓等功能。與普通機(jī)械開(kāi)關(guān)不同，晶體管利用電信號(hào)來(lái)控制自身的開(kāi)合，開(kāi)關(guān)速度非?？欤瑢?shí)驗(yàn)室中的切換頻率最高可達(dá)到每秒1000億次以上。 雖然世界上第一支晶體管的材料是鍺，且直到20世紀(jì)60年代之前鍺在半導(dǎo)體中還占主要地位。但由于鍺是稀有金屬，成本高，并且容易受高溫和輻射的影響，于是，尋求新的材料成為半導(dǎo)體發(fā)展降低成本、提高性能的需求。 1954年，德州儀器的研究員戈登·蒂爾研制出了第一個(gè)商用的硅晶體管。該硅晶體管具有與鍺晶體管相同的工作原理，但它可以承受高溫。不過(guò)這時(shí)的硅管還要比鍺管貴得多。 1959年，仙童半導(dǎo)體“八叛徒”之一的諾伊斯（英特爾公司創(chuàng)始人），首次在硅片上制作出集成電路，開(kāi)啟了電子工業(yè)的硅時(shí)代。
（左至右：摩爾、羅伯茨、克萊爾、諾伊斯、格里尼克、布蘭克、赫爾尼和拉斯特）
直到20世紀(jì)60年代后期，硅材料逐漸取代了鍺，并一直“活躍”至今。以硅材料為代表的第一代半導(dǎo)體，取代了笨重的真空電子管，導(dǎo)致了以集成電路為核心的微電子工業(yè)的發(fā)展和整個(gè)IT 產(chǎn)業(yè)的飛躍。目前，全球超過(guò)90%的芯片及器件均由硅材料制成，包括最常見(jiàn)的 CPU、GPU、其他邏輯及存儲(chǔ)芯片等。 集成電路芯片制造材料多達(dá)數(shù)百種，按類別劃分主要包括硅片、光掩膜、光刻膠及配套試劑、電子氣體、工藝化學(xué)品、濺射靶材、拋光材料等，總體采購(gòu)中硅片占比始終最高。如下圖：
（2015-2021年全球集成電路芯片制造材料分類占比）
根據(jù)國(guó)際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)（SEMI）數(shù)據(jù)，2021年硅片在集成電路芯片制造材料中的采購(gòu)金額占比達(dá)到33%左右，是最主要的關(guān)鍵功能材料，100多億美元的半導(dǎo)體硅片支撐了5000多億美元的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)規(guī)模。 作為半導(dǎo)體制造的核心材料之一，硅片的出身其實(shí)是不起眼的沙礫。硅片制造流程繁復(fù)，平凡的沙礫想要“逆天改命”成為硅片，大致需要如下三步的蛻變： 第一步——純化 硅在地殼中占比約27%，是除了氧元素之外第二豐富的元素。硅元素以二氧化硅和硅酸鹽的形式大量存在于沙子、巖石、礦物中，儲(chǔ)量豐富并且易于取得。 通常將95-99%純度的硅稱為工業(yè)硅。沙子、礦石中的二氧化硅經(jīng)過(guò)純化，可制成純度98%以上的冶金級(jí)硅；高純度硅經(jīng)過(guò)進(jìn)一步提純變?yōu)榧兌冗_(dá) 99.9999999%至99.999999999%（9-11個(gè)9）的超純多晶硅，即電子級(jí)多晶硅。
（硅片制備流程）
第二步——拉晶 單晶生長(zhǎng)是拋光片生產(chǎn)中最核心的一環(huán)工序，決定了硅片的質(zhì)量和純度，其技術(shù)主要分為直拉法（CZ）和區(qū)熔法（FZ）。在集成電路工業(yè)中使用的硅片幾乎都是采用直拉法生產(chǎn)的。 直拉法加工工藝：將超純多晶硅在石英坩堝中熔化，并摻入硼（B）、磷（P）等元素改變其導(dǎo)電能力，放入籽晶確定晶向，經(jīng)過(guò)單晶生長(zhǎng)，制成具有特定電性功能的單晶硅錠。 第三步——切割 單晶硅錠經(jīng)過(guò)切片、研磨、拋光、清洗等工藝步驟，便制造成為半導(dǎo)體硅片。 半導(dǎo)體硅片的尺寸（以直徑計(jì)算）主要有50mm（2 英寸）、75mm（3 英寸）、100mm（4英寸）、150mm（6 英寸）、200mm（8英寸）與 300mm（12 英寸） 等規(guī)格。在摩爾定律的影響下，半導(dǎo)體硅片正在不斷向大尺寸的方向發(fā)展。
（數(shù)據(jù)來(lái)源：《芯片制造》）
（8、12英寸硅片在不同制程的應(yīng)用情況） 向大尺寸方向發(fā)展是半導(dǎo)體硅片行業(yè)最基本的發(fā)展趨勢(shì)。目前，全球半導(dǎo)體硅片市場(chǎng)最主流的產(chǎn)品規(guī)格為300mm硅片和200mm硅片，300mm硅片占比持續(xù)上升。 長(zhǎng)期以來(lái)，半導(dǎo)體行業(yè)呈現(xiàn)周期性波動(dòng)上漲的趨勢(shì)。根據(jù)SEMI 統(tǒng)計(jì)，2016 年至2022年間，全球半導(dǎo)體硅片（不含SOI）銷售額從72.09億美元上升至138億美元，年均復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)11.47%。
（數(shù)據(jù)來(lái)源：SEMI）
需求結(jié)構(gòu)方面，近10年來(lái)，6英寸及以下尺寸硅片需求基本保持穩(wěn)定，全球半導(dǎo)體硅片新增需求主要集中在8英寸和12英寸硅片，這兩種尺寸硅片的市場(chǎng)份額合計(jì)占比約為90%。尤其是12英寸硅片增速最快，市場(chǎng)份額占比接近70%。（見(jiàn)下圖）。
（數(shù)據(jù)來(lái)源：SEMI）
市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)方面，全球硅片市場(chǎng)主要由境外廠商占據(jù)，市場(chǎng)集中度較高，龍頭硅片廠商壟斷全球90%以上的市場(chǎng)份額，排名前五的廠商分別為日本信越化學(xué)（Shin-Etsu）、日本勝高（SUMCO）、中國(guó)臺(tái)灣環(huán)球晶圓（Global Wafers）、德國(guó)世創(chuàng)（Siltronic）、韓國(guó)鮮京矽特?。⊿K Siltron）。
(數(shù)據(jù)來(lái)源：Omdia)
我國(guó)半導(dǎo)體硅片市場(chǎng)規(guī)模是全球半導(dǎo)體硅片市場(chǎng)的重要組成部分，在全球半導(dǎo)體硅片市場(chǎng)中占比呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。目前，國(guó)內(nèi)各硅片廠商加速布局8英寸及 12英寸大硅片項(xiàng)目，擁有12英寸硅片生產(chǎn)能力的公司主要包括滬硅產(chǎn)業(yè)（688126.SH）、立昂微（605358.SH）、TCL 中環(huán)（002129.SZ）、 奕斯偉、中欣晶圓等。 半導(dǎo)體硅片的下游是芯片制造企業(yè)，包括大型綜合晶圓代工企業(yè)及專注于存儲(chǔ)器制造、傳感器制造與射頻芯片制造等領(lǐng)域的芯片制造企業(yè)。半導(dǎo)體硅片的終端應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋智能手機(jī)、便攜式設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)、汽車電子、人工智能、工業(yè)電子、軍事、航空航天等眾多行業(yè)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，新興終端市場(chǎng)還將不斷涌現(xiàn)。 盡管以硅為代表的第一代半導(dǎo)體作為科技進(jìn)步的重要里程碑，深刻地改變了我們的生活。但隨著科技的進(jìn)步，對(duì)新一代半導(dǎo)體的需求也在不斷增加。下期，小編將跟大家一起學(xué)習(xí)第二代半導(dǎo)體材料——砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）。敬請(qǐng)期待！ 參考資料：《半導(dǎo)體物理與器件》（Donald A. Neamen）、《芯片制造——半導(dǎo)體工藝制程實(shí)用教程》（Peter Van Zant）、《微電子制造科學(xué)原理與工程技術(shù)》（Stephen A. Campbell）、中國(guó)工程院院刊《中國(guó)工程科學(xué)》、上市公司公告、招股說(shuō)明書(shū)。