半导体性质：掺杂及光电特性

掺杂特性：半导体中掺入Ⅲ族和Ⅴ族杂质后，对应形成电子导电的 N型半导体和空穴导电的 P 型半导体，两种不同的导电机制使得半导体可以制作成二极管、三极管、MOSFET、IGBT 等众多微电子器件。

光电特性：半导体 PN 结能吸收光子后生成电流，可以应用于光电探测器、太阳能电池等领域；PN 结同时又能使电能转化为光，常用在半导体照明、光通讯光源及 3D sensing 的红外光源等领域。后者常见于具有直接能隙的化合物半导体材料。

半导体产业链：上游材料与设备，中游生产（设计-制造-封测），下游产品（集成电路、分立器件、光电子器件、传感器）

半导体产业链上游为半导体材料和设备两部分，材料部分涵盖半导体晶圆、微细加工材料和封装材料，设备部分包括晶圆生产设备、芯片加工设备和封测设备，二者共同支撑了中游的制造和封测环节。

半导体产业链中游为设计、制造、封测三大环节：设计是将逻辑功能转化为物理版图的过程，制造是晶圆代工形成具有功能的芯片的过程，封测过程则是对芯片进行管脚引出、封装保护以及可靠性测试。目前半导体领域具有 IDM 和垂直分工两种模式：IDM 是指从设计、制造、封装测试到销售自有 IC 产品，均由一家公司完成的商业模式，代表企业如 Intel、 Samsung 等；垂直分工是指 IC 的设计、制造和封装测试分别由专业的 IC设计商（Fabless）、IC 制造商（Foundry）、IC 封装测试商（Package&Testing）分别承担的商业模式，垂直分工模式能够大幅降低企业进入 IC 产业的壁垒。

半导体产业链下游主要为各类半导体产品，具体可分为集成电路、分立器件、光电子器件、传感器四个子类。集成电路可以进一步分为微处理器、存储器、逻辑电路、模拟电路；分立器件包含二极管、三极管、IGBT、 Trench MOSFET 等独立封装的单个器件；光电子器件主要指代在光传输系统中应用的各类半导体元件，如用作光源的发光二极管、激光二极管，用作光接收器的 PIN 二极管、雪崩二极管等；半导体传感器中应用较为广泛的一类是 MEMS 传感器，如广泛用于虚拟体感游戏的陀螺仪、汽车安全气囊中的加速度计等。

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一、初识半导体

半导体是电导率介于金属和绝缘体之间的一种材料。通常金属的电导率大于一万（104）Ω-1cm-1，如铝、铜、银、铂等，而绝缘体的电导率则小于百亿分之一（10-10）Ω-1cm-1，如橡胶、陶瓷、塑料等，电导率介于104-10-10Ω-1cm-1之间的一种固体材料，则被称为半导体。半导体的电导率并不是一成不变的，它会随着掺入杂质元素、受热、受光照、受到外力等种种外界条件，而在绝缘体和金属之间电导率区间内发生变化，这些特性使得半导体衍生出了较为丰富的应用场景。

（一）掺杂特性

能够成为半导体的元素常在元素周期表的Ⅳ族出现，例如Si、Ge，因为它们的最外层电子为4个，原子之间能够形成排列整齐的晶格价键。而临近的Ⅲ族和Ⅴ族则变成了掺杂元素的备选之地：一种是掺入Ⅴ族元素（常用的有磷P、砷As），V族元素相比Ⅳ族的外层电子多出一个，多出的电子能够作为导电的来源，这种掺杂手段被称为N（Negative）型掺杂；另一种是掺入Ⅲ族元素（常用的有硼B、氟化硼BF2），Ⅲ族元素相比Ⅳ族的外层电子少一个，这种缺少电子的空位被称为空穴，空穴同样能够导电，对应的掺杂手段被称为P（Positive）型掺杂。两种不同类型的掺杂手段是构成PN结的重要基础。

• 一块P型半导体和一块N型半导体接触的界面就被称为PN结（PN Junction）。P型半导体中富含空穴，N型半导体中富含电子，PN结附近没有能参与导电的电子和空穴，因此PN结在没有施加外界电压时是无法形成导电通路的。同时由于N型半导体失去了一部分电子，P型半导体失去了一部分空穴，在PN结处会形成一个由N型半导体指向P性半导体的内建电场，以阻止两种半导体中电子空穴的进一步互相扩散。
• PN结具有单向导电性。当施加的电压极性与内建电场方向相同时，电子和空穴依然不能扩散到对方区域，PN结处无电流流过；当施加的电压极性与内建电场方向相反时，内建电场被抵消，电子和空穴可以互相扩散，PN结就会有电流通过。

一个PN结就可以形成半导体器件中最简单的二极管（Diode），它同时也是构筑三极管（BJT）、金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）等其他众多半导体器件的基础结构。

（二）光电特性

光生电：在PN结处没有可以自由移动的电子和空穴，但是晶格原子外层有许多被束缚的共价电子。光照能使共价电子获得能量，脱离晶格原子的束缚，变成可以自由移动的电子和空穴。而电子和空穴都是构成电流的成分，因此光照可以使PN结产生电流。PN结光生电的特性使它能够制备成雪崩二极管、PIN二极管，这些器件广泛应用于光探测器、太阳能电池等领域。

电生光：反之，若在PN结两端加以正向电压，半导体中的电子和空穴就会在结处相遇之后消失（复合），并产生一束光子，前提是制造PN结的材料为直接带隙半导体。PN结电生光的特性使它能制作成发光二极管（LED）、激光二极管（LD）等，广泛应用于半导体照明、光通讯中的光源、3D Sensing等领域。

• 所谓直接带隙半导体，是指这种材料中的电子和空穴复合时遵循动量守恒，如化合物半导体材料：GaAs、GaP、GaN等。而对于应用十分广泛的硅材料来说，它属于间接带隙半导体，用硅材料制造的PN结只能制造具有整流、开关特性的二极管，并不能发出光子。

二、半导体产业链介绍

半导体产业链可分为上游（半导体材料和半导体设备）、中游（半导体产品的设计、制造和封装）、下游（半导体产品的应用）三大环节。

（一）产业链上游：半导体材料和设备

半导体材料包括半导体晶圆、微细加工材料和封装材料，半导体材料对中游的制造和封测环节起到支撑作用。

晶圆是指由半导体构成的晶体圆片，又称为衬底，是制造半导体器件的“地基”，通过在晶圆上实施一系列的工艺流程，就可以得到相应的半导体产品。构成晶圆的半导体材料有：第一代（以硅为代表）、第二代（以砷化镓为代表）、第三代（以氮化镓、碳化硅为代表）。第一代半导体晶圆发展最为成熟，应用也最为广泛，但是在光电、射频、功率等领域仍缺乏优势；第二代半导体主要应用在红外-绿光波段的光电子领域以及民用射频器件领域，目前发展相对成熟；第三代半导体还处于发展初期，较高的制造成本使其市场占有率远不如前两代材料，但是其在蓝紫光波段的光电子领域、高性能军用射频领域、功率半导体领域具有天然的优势。

微细加工材料是指晶圆代工过程中所需要的化学气体和试剂，包括光刻胶、掩膜版、电子气体、湿化学品、溅射靶材、化学机械抛光（CMP）材料等，每一个子类都包含了几十甚至上百种具体的产品。微细加工材料的特点就是品种多、门槛高、质量要求严格。以湿化学品这一个子类举例，就存在对金属离子、颗粒等众多污染物的严格把控。随着集成电路尺寸的不断缩小，对湿化学品的SEMI标准也在不断提高，目前纳米尺度的IC产品要使用Grade 4以上的湿化学品才能满足整个IC产品的加工要求。

封装材料是指在晶圆上形成有引出管脚和钝化保护壳的独立芯片过程中用到的各类材料和工具，主要包含引线框架、基板、陶瓷封装材料、封装树脂、键合丝、粘晶材料等。其中基板是占比最大的细分市场，其次为引线框架和键合丝。随着TSV（Through Silicon Vias，硅通孔技术）等先进封装技术的出现，引线框架和键合丝在封装市场规模中的占比有所下降。

在半导体材料的供应厂商方面，日本处于绝对的龙头地位，无论是晶圆、微细加工材料，还是封装材料，日本常年份额均保持在65%以上。

半导体设备是指半导体产业链中所涉及到的专用设备，分为晶圆生产设备、芯片加工设备和封测设备。

• 晶圆生产设备用于获得高质量的半导体晶圆，如拉制硅锭的单晶炉、切割硅锭的切片机、消除表面及边缘缺陷的晶圆滚磨机等。
• 芯片加工设备是在进行晶圆加工过程中涉及到的专用设备，如光刻机、离子注入机、氧化炉、化学机械抛光（CMP）机等。
• 封测属于后端工艺，目的是对加工好的芯片进行管脚引出、外壳保护和可靠性测试，涉及到的设备有：晶圆划片机、引线键合机、探针测试台等。

光刻机是半导体工艺中最重要的设备之一，光刻过程是指通过晶圆的对准和曝光，将掩膜版上的图形聚焦成像到涂有光刻胶的晶圆上，以实现具有高分辨率的图形转移的过程。目前世界上最先进的光刻设备是ASML公司生产的极紫外光源（EUV）光刻机。EUV光刻机技术壁垒极高，价格达到1.1亿美金/台，目前EUV光刻机只有ASML一家能够生产。三星、Intel、台积电三大半导体巨头都是ASML的客户，在2017年第一季度，ASML已经开始交付第四代EUV系统NXE:3400B，曝光速度达125片晶圆/小时。

半导体设备的市场主要由欧美日国家主导。根据SEMI的报告，2016年全球半导体设备的总销售额为412.4亿美元，同比增长13%。其中，应用材料（Applied Materials）、阿斯麦（ASML）、东京电子、泛林（Lam Research）是全球前四大半导体设备制造商，市场份额分别约为19%、18%、16%、15%。

（二）产业链中游：设计、制造、封测三大环节

半导体产业链中游是生产半导体产品的过程，包括设计、制造、封测三大环节。

设计是将芯片的逻辑与性能要求转化为具体的物理版图的过程。设计流程分为规格定制、硬体语言描述、仿真模拟验证、逻辑合成、电路模拟验证、电路布局与环绕、电路检测、光罩制作等几个步骤。

制造常被称为晶圆代工，是指经过一系列标准的半导体加工工艺，将设计得到的版图结构转移到裸露的晶圆上，以形成附加值较高的半导体芯片。

常用的半导体工艺有图形化工艺、掺杂工艺、氧化工艺、薄膜工艺、平坦化工艺五个大类。图形化工艺是将掩膜版上的图形转移至晶圆的过程，包含光刻和刻蚀；掺杂工艺是形成N型和P型掺杂结构的过程，包含扩散和离子注入两类；氧化工艺是形成MOSFET栅氧的工艺方法；薄膜工艺常用于在晶圆表面制备各类半导体、绝缘体、金属的薄膜材料，包含CVD、PVD（蒸发和溅射）、电镀、外延等；CMP是一种对晶圆全局进行化学+物理研磨的过程，这一过程能有效去除晶圆表面的不平坦区域，以提升IC制造的成功率。

晶圆代工所涉及到的IC制程是依照摩尔定律推进的，即每隔18个月，芯片上的晶体管数目就会翻一倍。经过了近50年的发展，晶体管的最小图形尺寸已经由20世纪60年代的50μm发展到2017年的10nm（台积电的制程，10nm制程工艺已应用在苹果iphone 8的A11处理器和华为Mate10的麒麟970处理器中）。在2010年以后，集成电路的缩小步伐明显放缓，由原来的18个月延长至36个月左右。Intel作为半导体业界的龙头，在2011年成功实现了22nm技术节点的CPU研发（第一代FinFET），而16nm技术的第二代FinFET直到2014年才成功面世，业内预测10nm可能要到2018年以后才能量产，7nm将会在2020年以后得以应用。

晶体管的最小图形尺寸有可能达到什么程度呢？目前制造集成电路的主流半导体为硅材料，其原子间距为0.54nm，如果需要5个硅原子来构成最小图形，则晶体管的最小图形尺寸即为2-3nm左右。2003年，来自日本的科学家Hitoshi在国际电子器件大会（IEDM）上报道了栅长仅4nm的MOS晶体管，且表现出良好的开关特性，这是迄今为止已知的最小尺寸的晶体管。

封装和测试属于后端工艺，其目的是对制造完成的半导体芯片进行封装保护、管脚引出，同时还对芯片的可靠性、稳定性进行检测，最终形成商品化的半导体产品。

IC的生产过程有两种商业模式：IDM模式和垂直分工模式。

IDM模式指的是这家公司的业务囊括了设计、制造、封测三大环节：IDM厂商涉及半导体产业链中游的所有环节，从版图设计到最终产出商品化的半导体产品，都在自家企业内完成。对于IDM模式，需要花费巨大的金额来维持整条产业链的运转，其代表厂商为Intel、Samsung等这类资金实力较强的龙头企业；

台积电（TSMC）的创立，使IC在生产环节出现了垂直分工模式，即每一家公司都只负责半导体产业链中游的某一个环节：例如负责设计的企业不再拥有自己的生产线，这类企业专注于半导体产品的版图设计，这类企业被业界称为fabless厂商；而负责制造的企业被称为Foundry，Foundry只做晶圆代工；Foundry厂完成IC产品的加工后，便将其输送给下游独立的封装公司和测试公司（Assembly & Test）。

垂直分工模式的兴起使得Fabless、Foundry、Assembly &Test企业迅速地成长：Fabless的代表企业有高通、博通、联发科、AMD等，其中美国在Fabless领域占据了60%以上的市场份额；Foundry的代表有台积电、格罗方德、联华电子等，其中台积电是Foundry领域里首屈一指的龙头企业，其囊括了整个市场70%左右的市场份额；而Assembly &Test的代表企业有日月光、安靠、长电科技等，在封测领域中国目前已经有了一定的积累。

（三）产业链下游：半导体产品

半导体产品可以分为光电子器件、（半导体）传感器、分立器件和集成电路。其中集成电路（Integrated Circuit，IC）又可以分为数字IC和模拟IC，数字IC又分为逻辑电路、微处理器和存储器。根据WSTS统计，2016年集成电路销售占比82%，光电子器件占比9%，分立器件占比6%，传感器占比3%。由于多年来集成电路销售占半导体销售比重均达80%以上，因此市场上一般将IC代指为半导体。

集成电路：将晶体管、二极管、电容、电阻等按照一定的电路互联，通过一系列微电子特有的制造工艺，“集成”在一块半导体单晶芯片上，然后封装在一个外壳中，以实现一定的功能。它包含了模拟电路、逻辑电路、微处理器、存储器四个类别，主要应用于通信、计算机和消费电子领域。

分立器件：单个的二极管、三极管、功率半导体器件（如LDMOS、IGBT等）都属于分立器件。它们相比集成电路的缺点就是体积大，但是在一些场合（如超大功率、半导体照明），分立器件比集成电路更具优势。

光电子器件：指的是构成光通讯系统中的主要半导体组件，如光发射机中用作光源的发光二极管（LED）和半导体激光二极管（LD）；光波导中的硅基分路器（PLC）芯片；光接收机中用于接受光信号的雪崩二极管、PIN二极管等。

（半导体）传感器：传感器是将环境中的物理量转化为电学量的一种检测装置，其中半导体传感器是目前传感器领域应用最为广泛的一个品类。受益MEMS（即以处理外界信息如压力、温度、磁场、化学、生物等为主的微电子机械系统，简称微机械系统）技术的快速发展，MEMS半导体传感器关注度也逐步提升。

• 基于霍尔效应的霍尔元件能采集磁场的变化，可应用于工业自动化中的转子转速检测、PC中的散热风扇等领域。
• 基于探测科里奥利力的陀螺仪能采集角速度的变化，可应用于手机中光学防抖（OIS）及虚拟体感游戏。
• 基于探测惯性力的加速度计能采集线性加速度的变化，可应用于汽车安全气囊、军用导弹控制等领域。
• 基于薄膜振动引发电容变化的MEMS麦克风，广泛地应用于各类高端手机的智能语音系统。

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