第一代半导体——硅的“逆天改命”之旅
我们身边的材料可以根据导电性分为导体、绝缘体和半导体。金属、石墨、人体等具有良好的导电能力，被称为导体。橡胶、塑料、干木头等是不导电的，或者说导电能力极差，属于绝缘体。而导电能力介于导体与绝缘体之间的硅、锗等材料，就是半导体。
半导体的起源可以追溯到19世纪，当时科学家们开始研究半导体材料，如锗、硅。但“半导体”这个名词大概到1911年才被考尼白格和维斯首次使用。
虽然半导体的四个基本物理特性——温度效应（电阻随温度的上升而下降）、光生伏特效应（光照下产生电压）、光电导效应（光照下电导增加）、整流效应（导电的方向性）在19世纪就被先后发现，但总结出半导体的这四个特性一直到1947年底才由位于美国新泽西州茉莉山的贝尔实验室完成。
1945年秋，贝尔实验室成立了以威廉·肖克利为首的半导体研究小组；1947年12月，小组研制出了点接触型的锗晶体管；1950年，第一只“PN结型晶体管”问世，其性能与贝尔实验室半导体研究小组设计的完全一致，小组成员因此于1956年获得了诺贝尔物理学奖。
（威廉·肖克利）
晶体管是20世纪的一项重大发明，是微电子革命的先声，也是今天一切智能电子产品的基础单元，广泛应用于手机、电视、计算机、可穿戴设备等。晶体管集成数量和密度是决定一款芯片性能强弱的关键指标之一。比如，苹果11系列手机搭载的A13芯片，拥有85亿个晶体管；仅时隔4年，苹果15 Pro 手机搭载的A17 Pro芯片，晶体管数量已经达到190亿个。 晶体管可以简单地理解为一种微型的开关，通过不同的组合设计，具有整流、放大、开关、稳压等功能。与普通机械开关不同，晶体管利用电信号来控制自身的开合，开关速度非常快，实验室中的切换频率最高可达到每秒1000亿次以上。 虽然世界上第一支晶体管的材料是锗，且直到20世纪60年代之前锗在半导体中还占主要地位。但由于锗是稀有金属，成本高，并且容易受高温和辐射的影响，于是，寻求新的材料成为半导体发展降低成本、提高性能的需求。 1954年，德州仪器的研究员戈登·蒂尔研制出了第一个商用的硅晶体管。该硅晶体管具有与锗晶体管相同的工作原理，但它可以承受高温。不过这时的硅管还要比锗管贵得多。 1959年，仙童半导体“八叛徒”之一的诺伊斯（英特尔公司创始人），首次在硅片上制作出集成电路，开启了电子工业的硅时代。
（左至右：摩尔、罗伯茨、克莱尔、诺伊斯、格里尼克、布兰克、赫尔尼和拉斯特）
直到20世纪60年代后期，硅材料逐渐取代了锗，并一直“活跃”至今。以硅材料为代表的第一代半导体，取代了笨重的真空电子管，导致了以集成电路为核心的微电子工业的发展和整个IT 产业的飞跃。目前，全球超过90%的芯片及器件均由硅材料制成，包括最常见的 CPU、GPU、其他逻辑及存储芯片等。 集成电路芯片制造材料多达数百种，按类别划分主要包括硅片、光掩膜、光刻胶及配套试剂、电子气体、工艺化学品、溅射靶材、抛光材料等，总体采购中硅片占比始终最高。如下图：
（2015-2021年全球集成电路芯片制造材料分类占比）
根据国际半导体产业协会（SEMI）数据，2021年硅片在集成电路芯片制造材料中的采购金额占比达到33%左右，是最主要的关键功能材料，100多亿美元的半导体硅片支撑了5000多亿美元的半导体产业规模。 作为半导体制造的核心材料之一，硅片的出身其实是不起眼的沙砾。硅片制造流程繁复，平凡的沙砾想要“逆天改命”成为硅片，大致需要如下三步的蜕变： 第一步——纯化 硅在地壳中占比约27%，是除了氧元素之外第二丰富的元素。硅元素以二氧化硅和硅酸盐的形式大量存在于沙子、岩石、矿物中，储量丰富并且易于取得。 通常将95-99%纯度的硅称为工业硅。沙子、矿石中的二氧化硅经过纯化，可制成纯度98%以上的冶金级硅；高纯度硅经过进一步提纯变为纯度达 99.9999999%至99.999999999%（9-11个9）的超纯多晶硅，即电子级多晶硅。
（硅片制备流程）
第二步——拉晶 单晶生长是抛光片生产中最核心的一环工序，决定了硅片的质量和纯度，其技术主要分为直拉法（CZ）和区熔法（FZ）。在集成电路工业中使用的硅片几乎都是采用直拉法生产的。 直拉法加工工艺：将超纯多晶硅在石英坩埚中熔化，并掺入硼（B）、磷（P）等元素改变其导电能力，放入籽晶确定晶向，经过单晶生长，制成具有特定电性功能的单晶硅锭。 第三步——切割 单晶硅锭经过切片、研磨、抛光、清洗等工艺步骤，便制造成为半导体硅片。 半导体硅片的尺寸（以直径计算）主要有50mm（2 英寸）、75mm（3 英寸）、100mm（4英寸）、150mm（6 英寸）、200mm（8英寸）与 300mm（12 英寸） 等规格。在摩尔定律的影响下，半导体硅片正在不断向大尺寸的方向发展。
（数据来源：《芯片制造》）
（8、12英寸硅片在不同制程的应用情况） 向大尺寸方向发展是半导体硅片行业最基本的发展趋势。目前，全球半导体硅片市场最主流的产品规格为300mm硅片和200mm硅片，300mm硅片占比持续上升。 长期以来，半导体行业呈现周期性波动上涨的趋势。根据SEMI 统计，2016 年至2022年间，全球半导体硅片（不含SOI）销售额从72.09亿美元上升至138亿美元，年均复合增长率达11.47%。
（数据来源：SEMI）
需求结构方面，近10年来，6英寸及以下尺寸硅片需求基本保持稳定，全球半导体硅片新增需求主要集中在8英寸和12英寸硅片，这两种尺寸硅片的市场份额合计占比约为90%。尤其是12英寸硅片增速最快，市场份额占比接近70%。（见下图）。
（数据来源：SEMI）
市场竞争方面，全球硅片市场主要由境外厂商占据，市场集中度较高，龙头硅片厂商垄断全球90%以上的市场份额，排名前五的厂商分别为日本信越化学（Shin-Etsu）、日本胜高（SUMCO）、中国台湾环球晶圆（Global Wafers）、德国世创（Siltronic）、韩国鲜京矽特隆（SK Siltron）。
(数据来源：Omdia)
我国半导体硅片市场规模是全球半导体硅片市场的重要组成部分，在全球半导体硅片市场中占比呈增长趋势。目前，国内各硅片厂商加速布局8英寸及 12英寸大硅片项目，拥有12英寸硅片生产能力的公司主要包括沪硅产业（688126.SH）、立昂微（605358.SH）、TCL 中环（002129.SZ）、 奕斯伟、中欣晶圆等。 半导体硅片的下游是芯片制造企业，包括大型综合晶圆代工企业及专注于存储器制造、传感器制造与射频芯片制造等领域的芯片制造企业。半导体硅片的终端应用领域涵盖智能手机、便携式设备、物联网、汽车电子、人工智能、工业电子、军事、航空航天等众多行业。随着科学技术的不断发展，新兴终端市场还将不断涌现。 尽管以硅为代表的第一代半导体作为科技进步的重要里程碑，深刻地改变了我们的生活。但随着科技的进步，对新一代半导体的需求也在不断增加。下期，小编将跟大家一起学习第二代半导体材料——砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）。敬请期待！ 参考资料：《半导体物理与器件》（Donald A. Neamen）、《芯片制造——半导体工艺制程实用教程》（Peter Van Zant）、《微电子制造科学原理与工程技术》（Stephen A. Campbell）、中国工程院院刊《中国工程科学》、上市公司公告、招股说明书。