半导体材料的特点及未来

随着全球“芯荒”的持续蔓延，各行各业对芯片的重视程度上升到了一个前所未有的高度，而芯片的核心组成——半导体材料也受到了极高的重视。

除此之外，半导体材料更是作为电子材料的代表，而半导体集成电路的发展水平更衡量一个国家科技进步程度的重要指标之一。

01 什么是半导体材料

半导体材料是一种具有半导体性能，导电能力介于导体于绝缘调之间，可以用来制造半导体器件和集成电路的电子材料。半导体材料在自然界中按导电能力的大小进行划分的话，可以分为为导体、半导体和绝缘体三大类。

整个半导体产业链基本可以分为，上游设备、材料、设计；中游晶圆制造；以及下游封装测试这三个主要环节，而半导体材料就属于上游的核心环节，在芯片的生产制造过程中起着至关重要的作用。

02 半导体材料的分类

根据半导体的制造流程，一般情况下可以将半导体材料分为基体材料、制造材料、封装材料这三大类，也就是说在不同的环节，所涉及的半导体材料也是完全不同的。

首先我们先来看看基体材料，基体材料主要是用来制造硅晶圆半导体或者化合物半导体的基础材料，因为根据芯片材质不同的可以分为硅晶圆片和化合物半导体，其中硅晶圆片的使用范围较广，在半导体材料中有高达1/3的占有率，目前生产基体材料企业的主要有信越化工、SUMCO、环球晶圆、Silitronic、LG等等。

其次就是制造材料，它主要是将硅晶圆或者化合物半导体加工成芯片的过程中所需要从各类材料，主要有抛光材料、掩膜版、湿电子化学品、电子特气、光刻胶、溅射靶材，中抛光材料可以分为抛光垫、抛光液、调节器和清洁剂等。

在抛光垫市场美国陶氏占比79%几乎垄断；在抛光液市场则主要由日本的 Fujimi 和 Hinomoto Kenmazai，美国的卡博特、杜邦、Rodel、EKA，韩国的ACE 等企业占领大多数市场份额；在气体市场空气化工、法液空、大阳日酸、普莱克斯、林德占比80%以上；在光刻胶市场90%市场份额被日本住友、信越化学、JSR、TOK、美国陶氏占据；在掩膜版市场Photronics，大日本印刷、日本凸版占据80%市场份额。也就是说，在制造材料的市场中并没有出现领先的中国企业。

最后就是封装材料，封装是芯片制造的最后一个环节，而封装材料就是芯片封装切割过程中所用到的材料，其中主要包括芯片粘结材料、陶瓷封装材料、封装基板、键合丝、引线框架、切割材料，而封装材料的厂商主要以日本企业为主。

除此之外，根据相关数据显示，在众多半导体材料中，硅片以37%的占比位列第一；其次就是占比13%电子气体和光掩模；之后便是7%的光刻机辅材和抛光材料；最后剩下的就是光刻胶、靶材和湿化学品了。

除了按照芯片制造流程分类，还可以按照化学成分为元素半导体和化合物半导体，其中锗和硅是最常见的元素半导体，而化合物半导体主要包括第Ⅲ和第Ⅴ族化合物（砷化镓、磷化镓等）、第Ⅱ和第Ⅵ族化合物（ 硫化镉、硫化锌等）、氧化物（锰、铬、铁、铜的氧化物），以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体（镓铝砷、镓砷磷等）。

03 半导体材料的特点及优势

半导体材料的重要程度不言而喻，那是这些半导体材料究竟有哪些特点和优势呢？

目前常见的半导体的导电机理是通过电子和空穴这两种载流子来实现，因此相应的有N型和P型之分，半导体材料通常具有一定的禁带宽度，而且它的电特性会容易受到外界环境的影响，如温度、光照等，其次不同的导电类型材料是通过掺入特定的杂质来制备的，尤其是重金属快扩散杂质和深能级杂质对材料性能的影响最大。

因此，半导体就要拥有很高的纯度，而这不仅使得用来生产半导体材料的原材料也有具有极高的纯度，还对生产环境的纯度也有很高的纯度，从而来减少生产过程中杂志污染度，此外，因为半导体材料大部分都是晶体，因此半导体器件对于材料晶体的完整性也有着更高的要求。

首先在元素半导体中，硅的应用范围极广，它不仅是半导体集成电路，以及半导体器件的基础材料，还是日用家电中的核心材料，而稀有元素锗，则基本集中在二极管、三极管的制作当中，如以锗为核心材料的制造的钱江如探测器。

其次在有机半导体材料中，如蒽，聚丙烯和聚二乙烯苯以及碱金属和蒽的络合物，不仅具有热激活电导率，还有着加工处理方便、结实耐用、成本低廉，以及耐磨耐用等特点，但是有机半导体芯片的产品生产能力较低，此外有机半导体材料还可以分为有机物、聚合物，以及给体受体络合物三类。

然后便是非晶半导体材料，按照键合力性质基本可以将非晶半导体材料分为共价键非晶半导体和离子键非晶半导体两类，在制备方面可以采用液相快冷和真空蒸汽或者溅射等方法，非晶半导体材料在工业上主要用于制造像传感器、太阳能锂电池、以及薄膜晶体管等非晶体半导体器件。

最后的化合物半导体种类最为繁多，目前已经广泛地应用在了太阳能电池，光电器件，超高速器件，微波重要领域。

总结

半导体技术从诞生开始，一直遵循着摩尔定律的路线快速发展，并通过各种技术创新来延续摩尔定律。但是，传统的摩尔定律发展到今天，既有路径已经开始显现出尽头。

 

因此，需突破“摩尔定律”所划定的边界，未来可以天下便是得芯片者得天下，尤其是在5G来临之后，万物互联的步伐更加快速，使得芯片成为全球“硬通货”，而半导体材料更是重中之重。