半導體性質：摻雜及光電特性

摻雜特性：半導體中摻入Ⅲ族和Ⅴ族雜質後，對應形成電子導電的 N型半導體和空穴導電的 P 型半導體，兩種不同的導電機制使得半導體可以製作成二極體、三極體、MOSFET、IGBT 等眾多微電子器件。

光電特性：半導體 PN 結能吸收光子後生成電流，可以應用於光電探測器、太陽能電池等領域；PN 結同時又能使電能轉化為光，常用在半導體照明、光通訊光源及 3D sensing 的紅外光源等領域。後者常見於具有直接能隙的化合物半導體材料。

半導體產業鏈：上游材料與設備，中游生產（設計-製造-封測），下游產品（集成電路、分立器件、光電子器件、傳感器）

半導體產業鏈上游為半導體材料和設備兩部分，材料部分涵蓋半導體晶圓、微細加工材料和封裝材料，設備部分包括晶圓生產設備、晶片加工設備和封測設備，二者共同支撐了中游的製造和封測環節。

半導體產業鏈中游為設計、製造、封測三大環節：設計是將邏輯功能轉化為物理版圖的過程，製造是晶圓代工形成具有功能的晶片的過程，封測過程則是對晶片進行管腳引出、封裝保護以及可靠性測試。目前半導體領域具有 IDM 和垂直分工兩種模式：IDM 是指從設計、製造、封裝測試到銷售自有 IC 產品，均由一家公司完成的商業模式，代表企業如 Intel、 Samsung 等；垂直分工是指 IC 的設計、製造和封裝測試分別由專業的 IC設計商（Fabless）、IC 製造商（Foundry）、IC 封裝測試商（Package&Testing）分別承擔的商業模式，垂直分工模式能夠大幅降低企業進入 IC 產業的壁壘。

半導體產業鏈下游主要為各類半導體產品，具體可分為集成電路、分立器件、光電子器件、傳感器四個子類。集成電路可以進一步分為微處理器、存儲器、邏輯電路、模擬電路；分立器件包含二極體、三極體、IGBT、 Trench MOSFET 等獨立封裝的單個器件；光電子器件主要指代在光傳輸系統中應用的各類半導體元件，如用作光源的發光二極體、雷射二極體，用作光接收器的 PIN 二極體、雪崩二極體等；半導體傳感器中應用較為廣泛的一類是 MEMS 傳感器，如廣泛用於虛擬體感遊戲的陀螺儀、汽車安全氣囊中的加速度計等。

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一、初識半導體

半導體是電導率介於金屬和絕緣體之間的一種材料。通常金屬的電導率大於一萬（104）Ω-1cm-1，如鋁、銅、銀、鉑等，而絕緣體的電導率則小於百億分之一（10-10）Ω-1cm-1，如橡膠、陶瓷、塑料等，電導率介於104-10-10Ω-1cm-1之間的一種固體材料，則被稱為半導體。半導體的電導率並不是一成不變的，它會隨著摻入雜質元素、受熱、受光照、受到外力等種種外界條件，而在絕緣體和金屬之間電導率區間內發生變化，這些特性使得半導體衍生出了較為豐富的應用場景。

（一）摻雜特性

能夠成為半導體的元素常在元素周期表的Ⅳ族出現，例如Si、Ge，因為它們的最外層電子為4個，原子之間能夠形成排列整齊的晶格價鍵。而臨近的Ⅲ族和Ⅴ族則變成了摻雜元素的備選之地：一種是摻入Ⅴ族元素（常用的有磷P、砷As），V族元素相比Ⅳ族的外層電子多出一個，多出的電子能夠作為導電的來源，這種摻雜手段被稱為N（Negative）型摻雜；另一種是摻入Ⅲ族元素（常用的有硼B、氟化硼BF2），Ⅲ族元素相比Ⅳ族的外層電子少一個，這種缺少電子的空位被稱為空穴，空穴同樣能夠導電，對應的摻雜手段被稱為P（Positive）型摻雜。兩種不同類型的摻雜手段是構成PN結的重要基礎。

• 一塊P型半導體和一塊N型半導體接觸的介面就被稱為PN結（PN Junction）。P型半導體中富含空穴，N型半導體中富含電子，PN結附近沒有能參與導電的電子和空穴，因此PN結在沒有施加外界電壓時是無法形成導電通路的。同時由於N型半導體失去了一部分電子，P型半導體失去了一部分空穴，在PN結處會形成一個由N型半導體指向P性半導體的內建電場，以阻止兩種半導體中電子空穴的進一步互相擴散。
• PN結具有單嚮導電性。當施加的電壓極性與內建電場方向相同時，電子和空穴依然不能擴散到對方區域，PN結處無電流流過；當施加的電壓極性與內建電場方向相反時，內建電場被抵消，電子和空穴可以互相擴散，PN結就會有電流通過。

一個PN結就可以形成半導體器件中最簡單的二極體（Diode），它同時也是構築三極體（BJT）、金屬氧化物半導體場效應管（MOSFET）等其他眾多半導體器件的基礎結構。

（二）光電特性

光生電：在PN結處沒有可以自由移動的電子和空穴，但是晶格原子外層有許多被束縛的共價電子。光照能使共價電子獲得能量，脫離晶格原子的束縛，變成可以自由移動的電子和空穴。而電子和空穴都是構成電流的成分，因此光照可以使PN結產生電流。PN結光生電的特性使它能夠製備成雪崩二極體、PIN二極體，這些器件廣泛應用於光探測器、太陽能電池等領域。

電生光：反之，若在PN結兩端加以正向電壓，半導體中的電子和空穴就會在結處相遇之後消失（復合），並產生一束光子，前提是製造PN結的材料為直接帶隙半導體。PN結電生光的特性使它能製作成發光二極體（LED）、雷射二極體（LD）等，廣泛應用於半導體照明、光通訊中的光源、3D Sensing等領域。

• 所謂直接帶隙半導體，是指這種材料中的電子和空穴復合時遵循動量守恆，如化合物半導體材料：GaAs、GaP、GaN等。而對於應用十分廣泛的矽材料來說，它屬於間接帶隙半導體，用矽材料製造的PN結只能製造具有整流、開關特性的二極體，並不能發出光子。

二、半導體產業鏈介紹

半導體產業鏈可分為上游（半導體材料和半導體設備）、中游（半導體產品的設計、製造和封裝）、下游（半導體產品的應用）三大環節。

（一）產業鏈上游：半導體材料和設備

半導體材料包括半導體晶圓、微細加工材料和封裝材料，半導體材料對中游的製造和封測環節起到支撐作用。

晶圓是指由半導體構成的晶體圓片，又稱為襯底，是製造半導體器件的「地基」，通過在晶圓上實施一系列的工藝流程，就可以得到相應的半導體產品。構成晶圓的半導體材料有：第一代（以矽為代表）、第二代（以砷化鎵為代表）、第三代（以氮化鎵、碳化矽為代表）。第一代半導體晶圓發展最為成熟，應用也最為廣泛，但是在光電、射頻、功率等領域仍缺乏優勢；第二代半導體主要應用在紅外-綠光波段的光電子領域以及民用射頻器件領域，目前發展相對成熟；第三代半導體還處於發展初期，較高的製造成本使其市場占有率遠不如前兩代材料，但是其在藍紫光波段的光電子領域、高性能軍用射頻領域、功率半導體領域具有天然的優勢。

微細加工材料是指晶圓代工過程中所需要的化學氣體和試劑，包括光刻膠、掩膜版、電子氣體、濕化學品、濺射靶材、化學機械拋光（CMP）材料等，每一個子類都包含了幾十甚至上百種具體的產品。微細加工材料的特點就是品種多、門檻高、質量要求嚴格。以濕化學品這一個子類舉例，就存在對金屬離子、顆粒等眾多污染物的嚴格把控。隨著集成電路尺寸的不斷縮小，對濕化學品的SEMI標準也在不斷提高，目前納米尺度的IC產品要使用Grade 4以上的濕化學品才能滿足整個IC產品的加工要求。

封裝材料是指在晶圓上形成有引出管腳和鈍化保護殼的獨立晶片過程中用到的各類材料和工具，主要包含引線框架、基板、陶瓷封裝材料、封裝樹脂、鍵合絲、粘晶材料等。其中基板是占比最大的細分市場，其次為引線框架和鍵合絲。隨著TSV（Through Silicon Vias，矽通孔技術）等先進封裝技術的出現，引線框架和鍵合絲在封裝市場規模中的占比有所下降。

在半導體材料的供應廠商方面，日本處於絕對的龍頭地位，無論是晶圓、微細加工材料，還是封裝材料，日本常年份額均保持在65%以上。

半導體設備是指半導體產業鏈中所涉及到的專用設備，分為晶圓生產設備、晶片加工設備和封測設備。

• 晶圓生產設備用於獲得高質量的半導體晶圓，如拉制矽錠的單晶爐、切割矽錠的切片機、消除表面及邊緣缺陷的晶圓滾磨機等。
• 晶片加工設備是在進行晶圓加工過程中涉及到的專用設備，如光刻機、離子注入機、氧化爐、化學機械拋光（CMP）機等。
• 封測屬於後端工藝，目的是對加工好的晶片進行管腳引出、外殼保護和可靠性測試，涉及到的設備有：晶圓劃片機、引線鍵合機、探針測試台等。

光刻機是半導體工藝中最重要的設備之一，光刻過程是指通過晶圓的對準和曝光，將掩膜版上的圖形聚焦成像到塗有光刻膠的晶圓上，以實現具有高解析度的圖形轉移的過程。目前世界上最先進的光刻設備是ASML公司生產的極紫外光源（EUV）光刻機。EUV光刻機技術壁壘極高，價格達到1.1億美金/台，目前EUV光刻機只有ASML一家能夠生產。三星、Intel、台積電三大半導體巨頭都是ASML的客戶，在2017年第一季度，ASML已經開始交付第四代EUV系統NXE:3400B，曝光速度達125片晶圓/小時。

半導體設備的市場主要由歐美日國家主導。根據SEMI的報告，2016年全球半導體設備的總銷售額為412.4億美元，同比增長13%。其中，應用材料（Applied Materials）、阿斯麥（ASML）、東京電子、泛林（Lam Research）是全球前四大半導體設備製造商，市場份額分別約為19%、18%、16%、15%。

（二）產業鏈中游：設計、製造、封測三大環節

半導體產業鏈中游是生產半導體產品的過程，包括設計、製造、封測三大環節。

設計是將晶片的邏輯與性能要求轉化為具體的物理版圖的過程。設計流程分為規格定製、硬體語言描述、仿真模擬驗證、邏輯合成、電路模擬驗證、電路布局與環繞、電路檢測、光罩製作等幾個步驟。

製造常被稱為晶圓代工，是指經過一系列標準的半導體加工工藝，將設計得到的版圖結構轉移到裸露的晶圓上，以形成附加值較高的半導體晶片。

常用的半導體工藝有圖形化工藝、摻雜工藝、氧化工藝、薄膜工藝、平坦化工藝五個大類。圖形化工藝是將掩膜版上的圖形轉移至晶圓的過程，包含光刻和刻蝕；摻雜工藝是形成N型和P型摻雜結構的過程，包含擴散和離子注入兩類；氧化工藝是形成MOSFET柵氧的工藝方法；薄膜工藝常用於在晶圓表面製備各類半導體、絕緣體、金屬的薄膜材料，包含CVD、PVD（蒸發和濺射）、電鍍、外延等；CMP是一種對晶圓全局進行化學+物理研磨的過程，這一過程能有效去除晶圓表面的不平坦區域，以提升IC製造的成功率。

晶圓代工所涉及到的IC製程是依照摩爾定律推進的，即每隔18個月，晶片上的電晶體數目就會翻一倍。經過了近50年的發展，電晶體的最小圖形尺寸已經由20世紀60年代的50μm發展到2017年的10nm（台積電的製程，10nm製程工藝已應用在蘋果iphone 8的A11處理器和華為Mate10的麒麟970處理器中）。在2010年以後，集成電路的縮小步伐明顯放緩，由原來的18個月延長至36個月左右。Intel作為半導體業界的龍頭，在2011年成功實現了22nm技術節點的CPU研發（第一代FinFET），而16nm技術的第二代FinFET直到2014年才成功面世，業內預測10nm可能要到2018年以後才能量產，7nm將會在2020年以後得以應用。

電晶體的最小圖形尺寸有可能達到什麼程度呢？目前製造集成電路的主流半導體為矽材料，其原子間距為0.54nm，如果需要5個矽原子來構成最小圖形，則電晶體的最小圖形尺寸即為2-3nm左右。2003年，來自日本的科學家Hitoshi在國際電子器件大會（IEDM）上報道了柵長僅4nm的MOS電晶體，且表現出良好的開關特性，這是迄今為止已知的最小尺寸的電晶體。

封裝和測試屬於後端工藝，其目的是對製造完成的半導體晶片進行封裝保護、管腳引出，同時還對晶片的可靠性、穩定性進行檢測，最終形成商品化的半導體產品。

IC的生產過程有兩種商業模式：IDM模式和垂直分工模式。

IDM模式指的是這家公司的業務囊括了設計、製造、封測三大環節：IDM廠商涉及半導體產業鏈中游的所有環節，從版圖設計到最終產出商品化的半導體產品，都在自家企業內完成。對於IDM模式，需要花費巨大的金額來維持整條產業鏈的運轉，其代表廠商為Intel、Samsung等這類資金實力較強的龍頭企業；

台積電（TSMC）的創立，使IC在生產環節出現了垂直分工模式，即每一家公司都只負責半導體產業鏈中游的某一個環節：例如負責設計的企業不再擁有自己的生產線，這類企業專注於半導體產品的版圖設計，這類企業被業界稱為fabless廠商；而負責製造的企業被稱為Foundry，Foundry只做晶圓代工；Foundry廠完成IC產品的加工後，便將其輸送給下游獨立的封裝公司和測試公司（Assembly & Test）。

垂直分工模式的興起使得Fabless、Foundry、Assembly &Test企業迅速地成長：Fabless的代表企業有高通、博通、聯發科、AMD等，其中美國在Fabless領域占據了60%以上的市場份額；Foundry的代表有台積電、格羅方德、聯華電子等，其中台積電是Foundry領域裡首屈一指的龍頭企業，其囊括了整個市場70%左右的市場份額；而Assembly &Test的代表企業有日月光、安靠、長電科技等，在封測領域中國目前已經有了一定的積累。

（三）產業鏈下游：半導體產品

半導體產品可以分為光電子器件、（半導體）傳感器、分立器件和集成電路。其中集成電路（Integrated Circuit，IC）又可以分為數字IC和模擬IC，數字IC又分為邏輯電路、微處理器和存儲器。根據WSTS統計，2016年集成電路銷售占比82%，光電子器件占比9%，分立器件占比6%，傳感器占比3%。由於多年來集成電路銷售占半導體銷售比重均達80%以上，因此市場上一般將IC代指為半導體。

集成電路：將電晶體、二極體、電容、電阻等按照一定的電路互聯，通過一系列微電子特有的製造工藝，「集成」在一塊半導體單晶晶片上，然後封裝在一個外殼中，以實現一定的功能。它包含了模擬電路、邏輯電路、微處理器、存儲器四個類別，主要應用於通信、計算機和消費電子領域。

分立器件：單個的二極體、三極體、功率半導體器件（如LDMOS、IGBT等）都屬於分立器件。它們相比集成電路的缺點就是體積大，但是在一些場合（如超大功率、半導體照明），分立器件比集成電路更具優勢。

光電子器件：指的是構成光通訊系統中的主要半導體組件，如光發射機中用作光源的發光二極體（LED）和半導體雷射二極體（LD）；光波導中的矽基分路器（PLC）晶片；光接收機中用於接受光信號的雪崩二極體、PIN二極體等。

（半導體）傳感器：傳感器是將環境中的物理量轉化為電學量的一種檢測裝置，其中半導體傳感器是目前傳感器領域應用最為廣泛的一個品類。受益MEMS（即以處理外界信息如壓力、溫度、磁場、化學、生物等為主的微電子機械系統，簡稱微機械系統）技術的快速發展，MEMS半導體傳感器關注度也逐步提升。

• 基於霍爾效應的霍爾元件能採集磁場的變化，可應用於工業自動化中的轉子轉速檢測、PC中的散熱風扇等領域。
• 基於探測科里奧利力的陀螺儀能採集角速度的變化，可應用於手機中光學防抖（OIS）及虛擬體感遊戲。
• 基於探測慣性力的加速度計能採集線性加速度的變化，可應用於汽車安全氣囊、軍用飛彈控制等領域。
• 基於薄膜振動引發電容變化的MEMS麥克風，廣泛地應用於各類高端手機的智能語音系統。

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