中電科專(zhuān)家帶你梳理中國半導體材料發(fā)展大事紀

艾新德魯夫執行院長(cháng)幻實(shí) 對話(huà) 中國電科46所首席專(zhuān)家中國電子材料行業(yè)協(xié)會(huì )半導體行業(yè)分會(huì )秘書(shū)長(cháng)林健

新中國成立后，我國的半導體產(chǎn)業(yè)也迎來(lái)了新的起點(diǎn)和生機。

1956年國家提出“向科學(xué)進(jìn)軍”，制訂了發(fā)展各門(mén)尖端科學(xué)的“十二年科學(xué)技術(shù)發(fā)展遠景規劃”，與此同時(shí)根據國外發(fā)展電子器件的進(jìn)程相應地提出了中國半導體科學(xué)的發(fā)展方向，將此類(lèi)技術(shù)列為國家四大緊急措施之一，從原材料開(kāi)始，自力更生研究半導體器件。

六十多年后的今天，特別是改革開(kāi)放以后，半導體行業(yè)已經(jīng)從第一代的硅材料、鍺材料發(fā)展到第二代的砷化鎵、磷化銦，再到第三代的碳化硅和氮化鎵等，逐漸豐富和完善。但是也要看到，從技術(shù)含量方面來(lái)講，現階段我國和世界先進(jìn)水平的差距仍然較大，在一些關(guān)鍵高端領(lǐng)域仍有不少路要走。因此，在新的環(huán)境和形式下更要把握住機遇，迎接挑戰。

本期我們邀請到中國電子材料行業(yè)協(xié)會(huì )半導體材料分會(huì )的秘書(shū)長(cháng)、中國電科首席專(zhuān)家林健先生，聽(tīng)他揭秘中國半導體材料的發(fā)展大事紀。

芯片揭秘 | 中電科專(zhuān)家帶你梳理中國半導體材料發(fā)展大事紀

以下內容由對話(huà)整理

• 后起之秀：中國材料業(yè)三十年的發(fā)展歷程

• 機遇or挑戰？材料行業(yè)“敢問(wèn)路在何方”

• 從“0”到“1”的創(chuàng )新該從何抓起

幻實(shí)（主播）

我對材料類(lèi)的公司相對而言了解較少，想請教一下，為什么中國電科對材料這么關(guān)注？

林?。钨e）

從它的歷史來(lái)看，中國電科前期叫國家電子工業(yè)部，2002年，國家電子工業(yè)部被分成了兩部分，一部分叫CEC（中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團），幾乎包含了所有電子部的工廠(chǎng)；另一部分是把所有研究所變成了CETC,加了一個(gè)T（technology）。CETC全產(chǎn)業(yè)鏈都做，包括從整機到元器件再到材料，全部自我配套。所以說(shuō)材料是最基礎的，也是最重要的一環(huán)，是必須要做的。

幻實(shí)（主播）

您是什么時(shí)候加入材料行業(yè)的？

林?。钨e）

大學(xué)畢業(yè)后我就被分配到46所工作了。

幻實(shí)（主播）

您在大學(xué)里學(xué)什么？

林?。钨e）

學(xué)的是半導體集成電路，嚴格來(lái)講叫做半導體物理與器件，這個(gè)專(zhuān)業(yè)所學(xué)的內容就是集成電路；到46所工作之后，重點(diǎn)開(kāi)始了材料方面的研究。因為國家分工不同，所以我們是從最早的硅、鍺這類(lèi)第一代材料開(kāi)始做起的，中國的第一顆單晶硅就是我們所拉制出來(lái)的，那是1959年。

幻實(shí)（主播）

在剛解放沒(méi)幾年的時(shí)候？

林?。钨e）

是，為了給國慶十周年獻禮，中國自主生產(chǎn)了第一顆單晶硅。

丁守謙1959年9月率領(lǐng)團隊研制出新中國第一顆單晶硅

（圖源：天津日報新聞客戶(hù)端）

幻實(shí)（主播）

那時(shí)候46所就已經(jīng)有建制了嗎？

林?。钨e）

當時(shí)不叫46所，而是叫做601實(shí)驗所，這是公安部的一個(gè)研究所。

幻實(shí)（主播）

為什么制造單晶硅是由公安部管呢？

林?。钨e）

當時(shí)這種材料比較先進(jìn)，美國已經(jīng)率先做出。在公安系統內據說(shuō)是用于偵聽(tīng)、偵測，于是公安部下達命令，安排天津市公安局負責執行。那時(shí)國內還沒(méi)有這些材料的研究人員，于是就從勞改農場(chǎng)里找了一些上世紀50年代從北大、清華、南開(kāi)這些學(xué)校畢業(yè)的大學(xué)生、研究生，把他們中搞物理學(xué)的人集合起來(lái)，進(jìn)行材料方面的研究。

這些人從零開(kāi)始。首先硅是什么、硅的熔點(diǎn)是多少都不知道，只能從書(shū)本上來(lái)找這些知識，把理論變成實(shí)際。為了熔化它，他們拿電烙鐵去試，鐵能熔化，它卻熔化不了，實(shí)際操作過(guò)程中需要純度，還不能氧化……其實(shí)那代人真的很不容易，非常令人敬佩。

幻實(shí)（主播）

十年間能做出來(lái)，當時(shí)應該也投入了不少代價(jià)。

林?。钨e）

他們基本就是以所為家，不分晝夜拼命地干。從開(kāi)始動(dòng)工到拉出中國第一顆單晶硅僅僅用了13個(gè)月。

幻實(shí)（主播）

這個(gè)速度跟國際比起來(lái)也不會(huì )太差吧？

林?。钨e）

跟當時(shí)國際的水平差了有6年左右。

幻實(shí)（主播）

是否說(shuō)明我們在材料上面起步并不算太晚？

林?。钨e）

是的，硅材料差6年左右，二代砷化鎵材料實(shí)際上差得更短——他們是1964年投入實(shí)用階段，我們是1965年，水平比較接近。

幻實(shí)（主播）

為什么后來(lái)差距就越來(lái)越遠了？

林?。钨e）

我國真正恢復半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展是在十一屆三中全會(huì )之后，這時(shí)候與別的國家差距已經(jīng)很大了。雖然時(shí)間上差了十幾年，但實(shí)際上我們跟人家的技術(shù)差距超過(guò)二十年。

幻實(shí)（主播）

您畢業(yè)參加工作的時(shí)候是不是就在這個(gè)時(shí)間點(diǎn)？

林?。钨e）

我是1987年大學(xué)畢業(yè)的。雖然那時(shí)中國已經(jīng)改革開(kāi)放，但一切發(fā)展仍然舉步維艱，尤其是半導體產(chǎn)業(yè)剛開(kāi)始復蘇，當時(shí)的工廠(chǎng)很難往下經(jīng)營(yíng)，許多都面臨倒閉。

首先，咱們與國外差距太大，我們的發(fā)展時(shí)刻遭受著(zhù)國外的打壓，要知道在當時(shí)國外產(chǎn)品很容易就能買(mǎi)到；其次，由于剛剛起步，我們做的產(chǎn)品價(jià)格高昂，質(zhì)量卻不及國外，客戶(hù)自然不愿意用。

其實(shí)上世紀80年代的半導體已經(jīng)不是特別景氣了，當時(shí)我們班有40人，但真正從事相關(guān)工作的不超過(guò)10個(gè)人。

幻實(shí)（主播）

您為何能堅持下來(lái)呢？

林?。钨e）

有國家使命在，另外我個(gè)人對這方面也很有興趣。

幻實(shí)（主播）

在46所您最開(kāi)始是做什么方向的研究？

林?。钨e）

我所在的第一研究室主要的研究方向是二代砷化鎵材料，第二研究室是做單晶硅材料，兩個(gè)研究室合并后，硅和砷化鎵都成了我的研究方向。

三代半導體材料的性能比較

（圖源：電子發(fā)燒友網(wǎng)）

幻實(shí)（主播）

那個(gè)時(shí)候的半導體材料研究和現在相比有什么不同？

林?。钨e）

變化相當大。我剛畢業(yè)的時(shí)候，硅材料還是1.5英寸、2英寸、2.5英寸。2.5英寸什么概念？就是63.5毫米直徑的圓，現在的人很多都不知道“63.5”這個(gè)概念。

大多數人的認知最起碼是2英寸、3英寸、4英寸，很少有人聽(tīng)說(shuō)過(guò)1.5英寸、2.5英寸這類(lèi)。但在上世紀80年代、90年代初期，我們的水平就是這樣。1990年，我們單位與中國陜西機械學(xué)院聯(lián)合做了一臺硅單晶爐，那是中國第一臺大直徑單晶爐，這種大直徑單晶爐能制出最大單晶硅就是2.5英寸。

幻實(shí)（主播）

拉制出來(lái)以后會(huì )直接做下一步的生產(chǎn)嗎？

林?。钨e）

實(shí)際上都有。我剛工作的時(shí)候，很多1.5英寸、2英寸的硅片都是用于生產(chǎn)。當時(shí)中國的半導體廠(chǎng)，北邊有吉林華微，南邊有揚州晶體管廠(chǎng)，都在用這種小直徑的材料。

點(diǎn)擊圖片獲取半導體圈兒的“神秘組織”艾新德魯夫更多精彩

幻實(shí)（主播）

為進(jìn)一步促進(jìn)政、產(chǎn)、學(xué)、研、用協(xié)同創(chuàng )新的交流與合作，中國電子材料行業(yè)協(xié)會(huì )半導體材料分會(huì )去年舉辦了《2021中國半導體材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展（開(kāi)化）峰會(huì )》。您在會(huì )上的發(fā)言主題是“砥礪過(guò)往三十年，抓住機遇展未來(lái)”，這里的機遇指什么？能不能給我們解釋一下？

林?。钨e）

這個(gè)主題確實(shí)是我提出來(lái)的。

機遇是從2017年美國制裁中芯國際開(kāi)始，再到制裁華為以及中國一些其他相關(guān)企業(yè)。當時(shí)，我們確實(shí)受到了不小的打壓，在國際市場(chǎng)上也很難買(mǎi)到一些先進(jìn)的零部件、設備、技術(shù)等。但這對我們本身也是一個(gè)機遇，為什么這么說(shuō)？就半導體材料而言，國產(chǎn)8英寸、12英寸等大尺寸硅片在參數、穩定性等指標上與國外廠(chǎng)商相比還是有差距的。美國制裁之前，想要把國產(chǎn)的產(chǎn)品拿到器件廠(chǎng)、集成電路廠(chǎng)去用，對方基本上不愿意用，國外進(jìn)口質(zhì)量有保障，價(jià)格又便宜，咱們做的東西跟人家比沒(méi)有多少競爭力?，F在，很多國外的先進(jìn)產(chǎn)品拿不到了，不得已而用國產(chǎn)，所以這是一個(gè)難得的機遇。

國產(chǎn)雖然質(zhì)量不好、穩定性差，但是在產(chǎn)品落地使用后會(huì )得到不斷提升的機會(huì )，能在改進(jìn)技術(shù)和解決問(wèn)題的過(guò)程中自主提高、完善。國外越是打壓，就越逼著(zhù)我國的民族企業(yè)不斷前行。這幾年來(lái)，我們很多民族企業(yè)的產(chǎn)品都做得非常好，比如上海新昇，要知道12英寸大硅片原來(lái)國際上只有5家在做。

新中國成立后國內半導體的產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷程

（圖源：電子技術(shù)應用網(wǎng)）

幻實(shí)（主播）

聽(tīng)說(shuō)他們（新昇）供不應求？

林?。钨e）

是的，因為都通過(guò)認證了。90納米、40納米、28納米，甚至14納米都通過(guò)了認證。此外，某種意義上說(shuō)新冠疫情對中國也是一個(gè)機遇。國外很多工廠(chǎng)都處于半停產(chǎn)或者停產(chǎn)狀態(tài)，只有中國現在一枝獨秀。

幻實(shí)（主播）

除了您剛剛提到的大硅片，還有什么材料也會(huì )迎來(lái)大幅增長(cháng)？

林?。钨e）

這種增長(cháng)主要還是靠社會(huì )需求帶動(dòng)的。當下的社會(huì )需求主要來(lái)自5G、新能源汽車(chē)、智能手機等。作為第一代半導體材料，其實(shí)現在“幾代”這種說(shuō)法已經(jīng)逐漸不用或者改叫元素半導體，最早的硅材料和鍺材料就是元素半導體。無(wú)論是集成電路，還是其他各種半導體器件，目前90%以上都是用硅材料。在可預見(jiàn)的未來(lái)中，沒(méi)有任何一種材料可以完全取代硅。

為什么這么說(shuō)？首先，地球地殼的1/4都是硅，儲量非常大；另外它的工藝成熟度很高，制造器件的成本卻非常低，幾乎沒(méi)有任何一種材料能夠取代它的這兩點(diǎn)特性。

另一方面，其他一些新材料，比如二代砷化鎵、磷化銦，我們稱(chēng)之為化合物材料，在某些性能、參數指標上會(huì )比硅好，例如頻率、功率等。半導體器件的發(fā)展大體可以歸為兩個(gè)方向——一是追求功率，二是追求頻率。這兩項做的越大越高，器件的性能就會(huì )越好。

就頻率發(fā)展而言，砷化鎵材料比硅有優(yōu)勢，而磷化銦在頻率上可以做得更高，能到太赫茲，比砷化鎵又有優(yōu)勢。二代砷化鎵材料不僅可以用于軍事，還可以民用。例如我們手機中的人臉識別用的就是砷化鎵材料，它的應用很廣，但是使用量永遠趕不上硅。

就功率發(fā)展而言，第三代半導體的碳化硅和氮化鎵兩種材料異軍突起。要知道，碳化硅材料已經(jīng)納入了國家十四五發(fā)展規劃。純粹的碳化硅，可以做高壓大功率的電力電子器件，在碳化硅襯底上增加氮化鎵，可以朝著(zhù)微波射頻器件方向發(fā)展。另外，現在還出現了一些新材料。之前我們把碳化硅和氮化鎵叫寬禁帶半導體材料，它的禁帶寬度是在3.2到3.4；而氧化鎵這類(lèi)超寬禁帶或者叫第四代半導體材料，它的禁帶寬度達到4.9；金剛石、氮化鋁的禁帶寬度就更高了，分別是5.6和6.2，這些超寬禁帶的功率會(huì )更大。

半導體禁帶寬度是半導體的一個(gè)重要特征參量，

其大小主要決定于半導體的能帶結構

（圖源：電子產(chǎn)品世界網(wǎng)）

幻實(shí)（主播）

看起來(lái)，半導體材料這條賽道太火爆了。

林?。钨e）

沒(méi)錯。據我們協(xié)會(huì )統計，目前至少30多家都在做碳化硅材料，這還不算器件廠(chǎng)、模塊廠(chǎng)等。其實(shí)碳化硅的材料也分為兩個(gè)方向：一個(gè)是做汽車(chē)、電力電子，另一個(gè)是做微波射頻等。雖然性能上比硅、砷化鎵都有優(yōu)勢，但還不能完全壓制。坦率地說(shuō)碳化硅的市場(chǎng)份額并沒(méi)有那么大，真正能做得比較好的也就只有四、五家。

幻實(shí)（主播）

我覺(jué)得每一種材料都有自己的獨特優(yōu)勢，但是每選擇一種材料，它對應的設備、工藝，還有整個(gè)產(chǎn)線(xiàn)都要發(fā)生巨大的變化，可能它的通用性并沒(méi)有那么強，選擇材料時(shí)，誰(shuí)來(lái)做評估和相應的認定呢？我們知道材料商處在上游，下游廠(chǎng)商如果不配合，新材料也難以被推廣、應用。產(chǎn)業(yè)內目前是用一種什么樣的模式在推進(jìn)材料發(fā)展的？

林?。钨e）

材料必須跟著(zhù)器件走，而器件跟著(zhù)市場(chǎng)的需求走，沒(méi)有需求這些東西做出來(lái)就沒(méi)人要。所以，首先要有需求。這種需求可能基于已有材料在功率、頻率等指標上的瓶頸。我們的手機也是這樣一點(diǎn)點(diǎn)發(fā)展過(guò)來(lái)的，現在智能手機頻率做得非常高就是為了能夠實(shí)現各種功能。總之，都是從應用角度來(lái)帶動(dòng)半導體材料的發(fā)展。

2021年全球半導體營(yíng)收增長(cháng)了 25%，

預計 2022 年半導體總銷(xiāo)售額將增長(cháng) 11%

（圖源： IC Insights ）

幻實(shí)（主播）

您怎么看材料市場(chǎng)過(guò)熱的事實(shí)？

林?。钨e）

我認為一些資本有點(diǎn)盲目。一聽(tīng)說(shuō)這種材料好，就投這種材料。換個(gè)角度看，過(guò)熱不完全是壞事，剛開(kāi)始我們可以廣泛發(fā)展，最終再看誰(shuí)有能力，誰(shuí)往前走。

幻實(shí)（主播）

您了解過(guò)很多材料公司，也熟悉很多種材料，您覺(jué)得一種新材料被市場(chǎng)普遍采用的核心決定因素有哪些？

林?。钨e）

市場(chǎng)要有需求，材料才會(huì )有發(fā)展，這是最基本的。如果只是科學(xué)家搞理論研究，肯定沒(méi)什么用。一個(gè)需求出現，為了滿(mǎn)足它，才會(huì )針對性地研究一些新的材料。

幻實(shí)（主播）

所以做材料的從業(yè)者反而更要去到終端看看。

幻實(shí)（主播）

其實(shí)現在很多人都在議論，中國的基礎科學(xué)發(fā)展慢，基礎材料依舊是半導體產(chǎn)業(yè)鏈中的薄弱環(huán)節。我想向您求證一下這個(gè)觀(guān)點(diǎn)對嗎？

林?。钨e）

我很高興能夠看到最近幾年大家從上到下開(kāi)始重視基礎，國家也出臺了很多政策，但基礎科學(xué)研究并不能一蹴而就，也不是一朝一夕就能完成的，因為它涉及的面太廣了——比如說(shuō)材料研究，不僅要涉及方方面面的材料知識，還要與國家的工業(yè)體系融合。為什么這么說(shuō)？一種材料，國家沒(méi)有設備能做出來(lái)，沒(méi)有檢測儀器能夠檢測到，那也是毫無(wú)意義的。

幻實(shí)（主播）

整體工業(yè)體系起不來(lái)，只投資材料也可能沒(méi)有結果。

林?。钨e）

現在都講“從0到1”的創(chuàng )新，其實(shí)我們在這塊還很弱——我們有著(zhù)出色的“從1到100”的創(chuàng )新能力，復制、引進(jìn)、消化、吸收再創(chuàng )新，但是想要實(shí)現從無(wú)到有，這方面就需要國家加強對基礎科學(xué)的投入。

幻實(shí)（主播）

聽(tīng)我們節目的有很多都是這個(gè)行業(yè)的從業(yè)者，最后我也想請您給我們分享您看到的機遇或者是一些呼吁。

林?。钨e）

希望大家能長(cháng)期關(guān)注這個(gè)行業(yè)，不能因為國外的制裁才認識到它的重要性。政策角度來(lái)說(shuō)，國家要有持續性的扶持；人才培養角度來(lái)看，現在已經(jīng)有幾所學(xué)校在開(kāi)設相關(guān)專(zhuān)業(yè)，半導體材料發(fā)展的方方面面都需要一個(gè)綜合性的支持，這樣才能往前發(fā)展。

在集成電路中，材料是最基礎的要素，其重要性不言而喻。

我國在1959年就自主拉制成功第一顆國產(chǎn)單晶硅，實(shí)現了從無(wú)到有的突破，可以說(shuō)起步并不晚。此后的幾十年中雖歷經(jīng)中斷，但整體而言材料行業(yè)一直向前發(fā)展，硅片大小從1.5英寸增加到12英寸，其功率和頻率性能均得到了鞏固和提高。

但是也要看到，2018年發(fā)生的中美貿易摩擦時(shí)隔四年后依舊對我國產(chǎn)生著(zhù)影響。一方面，美國的制裁促使國內加快了自主研發(fā)速度，改變了過(guò)去長(cháng)期、普遍依賴(lài)進(jìn)口的局面，為民族企業(yè)產(chǎn)品的升級迭代提供了機遇；另一方面資本的大量涌入使材料市場(chǎng)投資過(guò)熱，賽道擁擠，而真正的市場(chǎng)份額有限，無(wú)法消化過(guò)大的投入，長(cháng)此以往會(huì )拉低整個(gè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進(jìn)程。

基礎研發(fā)需要高校持續不斷地輸送技術(shù)和人才，材料生產(chǎn)要根據器件需求走，而器件需求則要根據市場(chǎng)需求定。目前，針對我國基礎學(xué)科發(fā)展較弱的問(wèn)題，國家已經(jīng)做出相應舉措，在全國包括清華、北大、武大在內的14所高校設立了集成電路學(xué)院與研究院。相信不久的將來(lái)，我國半導體材料行業(yè)會(huì )迎來(lái)屬于自己的“芯”時(shí)代。