中电科专家带你梳理中国半导体材料发展大事纪

艾新德鲁夫执行院长幻实 对话 中国电科46所首席专家中国电子材料行业协会半导体行业分会秘书长林健

新中国成立后，我国的半导体产业也迎来了新的起点和生机。

1956年国家提出“向科学进军”，制订了发展各门尖端科学的“十二年科学技术发展远景规划”，与此同时根据国外发展电子器件的进程相应地提出了中国半导体科学的发展方向，将此类技术列为国家四大紧急措施之一，从原材料开始，自力更生研究半导体器件。

六十多年后的今天，特别是改革开放以后，半导体行业已经从第一代的硅材料、锗材料发展到第二代的砷化镓、磷化铟，再到第三代的碳化硅和氮化镓等，逐渐丰富和完善。但是也要看到，从技术含量方面来讲，现阶段我国和世界先进水平的差距仍然较大，在一些关键高端领域仍有不少路要走。因此，在新的环境和形式下更要把握住机遇，迎接挑战。

本期我们邀请到中国电子材料行业协会半导体材料分会的秘书长、中国电科首席专家林健先生，听他揭秘中国半导体材料的发展大事纪。

芯片揭秘 | 中电科专家带你梳理中国半导体材料发展大事纪

以下内容由对话整理

• 后起之秀：中国材料业三十年的发展历程

• 机遇or挑战？材料行业“敢问路在何方”

• 从“0”到“1”的创新该从何抓起

幻实（主播）

我对材料类的公司相对而言了解较少，想请教一下，为什么中国电科对材料这么关注？

林健（嘉宾）

从它的历史来看，中国电科前期叫国家电子工业部，2002年，国家电子工业部被分成了两部分，一部分叫CEC（中国电子信息产业集团），几乎包含了所有电子部的工厂；另一部分是把所有研究所变成了CETC,加了一个T（technology）。CETC全产业链都做，包括从整机到元器件再到材料，全部自我配套。所以说材料是最基础的，也是最重要的一环，是必须要做的。

幻实（主播）

您是什么时候加入材料行业的？

林健（嘉宾）

大学毕业后我就被分配到46所工作了。

幻实（主播）

您在大学里学什么？

林健（嘉宾）

学的是半导体集成电路，严格来讲叫做半导体物理与器件，这个专业所学的内容就是集成电路；到46所工作之后，重点开始了材料方面的研究。因为国家分工不同，所以我们是从最早的硅、锗这类第一代材料开始做起的，中国的第一颗单晶硅就是我们所拉制出来的，那是1959年。

幻实（主播）

在刚解放没几年的时候？

林健（嘉宾）

是，为了给国庆十周年献礼，中国自主生产了第一颗单晶硅。

丁守谦1959年9月率领团队研制出新中国第一颗单晶硅

（图源：天津日报新闻客户端）

幻实（主播）

那时候46所就已经有建制了吗？

林健（嘉宾）

当时不叫46所，而是叫做601实验所，这是公安部的一个研究所。

幻实（主播）

为什么制造单晶硅是由公安部管呢？

林健（嘉宾）

当时这种材料比较先进，美国已经率先做出。在公安系统内据说是用于侦听、侦测，于是公安部下达命令，安排天津市公安局负责执行。那时国内还没有这些材料的研究人员，于是就从劳改农场里找了一些上世纪50年代从北大、清华、南开这些学校毕业的大学生、研究生，把他们中搞物理学的人集合起来，进行材料方面的研究。

这些人从零开始。首先硅是什么、硅的熔点是多少都不知道，只能从书本上来找这些知识，把理论变成实际。为了熔化它，他们拿电烙铁去试，铁能熔化，它却熔化不了，实际操作过程中需要纯度，还不能氧化……其实那代人真的很不容易，非常令人敬佩。

幻实（主播）

十年间能做出来，当时应该也投入了不少代价。

林健（嘉宾）

他们基本就是以所为家，不分昼夜拼命地干。从开始动工到拉出中国第一颗单晶硅仅仅用了13个月。

幻实（主播）

这个速度跟国际比起来也不会太差吧？

林健（嘉宾）

跟当时国际的水平差了有6年左右。

幻实（主播）

是否说明我们在材料上面起步并不算太晚？

林健（嘉宾）

是的，硅材料差6年左右，二代砷化镓材料实际上差得更短——他们是1964年投入实用阶段，我们是1965年，水平比较接近。

幻实（主播）

为什么后来差距就越来越远了？

林健（嘉宾）

我国真正恢复半导体产业发展是在十一届三中全会之后，这时候与别的国家差距已经很大了。虽然时间上差了十几年，但实际上我们跟人家的技术差距超过二十年。

幻实（主播）

您毕业参加工作的时候是不是就在这个时间点？

林健（嘉宾）

我是1987年大学毕业的。虽然那时中国已经改革开放，但一切发展仍然举步维艰，尤其是半导体产业刚开始复苏，当时的工厂很难往下经营，许多都面临倒闭。

首先，咱们与国外差距太大，我们的发展时刻遭受着国外的打压，要知道在当时国外产品很容易就能买到；其次，由于刚刚起步，我们做的产品价格高昂，质量却不及国外，客户自然不愿意用。

其实上世纪80年代的半导体已经不是特别景气了，当时我们班有40人，但真正从事相关工作的不超过10个人。

幻实（主播）

您为何能坚持下来呢？

林健（嘉宾）

有国家使命在，另外我个人对这方面也很有兴趣。

幻实（主播）

在46所您最开始是做什么方向的研究？

林健（嘉宾）

我所在的第一研究室主要的研究方向是二代砷化镓材料，第二研究室是做单晶硅材料，两个研究室合并后，硅和砷化镓都成了我的研究方向。

三代半导体材料的性能比较

（图源：电子发烧友网）

幻实（主播）

那个时候的半导体材料研究和现在相比有什么不同？

林健（嘉宾）

变化相当大。我刚毕业的时候，硅材料还是1.5英寸、2英寸、2.5英寸。2.5英寸什么概念？就是63.5毫米直径的圆，现在的人很多都不知道“63.5”这个概念。

大多数人的认知最起码是2英寸、3英寸、4英寸，很少有人听说过1.5英寸、2.5英寸这类。但在上世纪80年代、90年代初期，我们的水平就是这样。1990年，我们单位与中国陕西机械学院联合做了一台硅单晶炉，那是中国第一台大直径单晶炉，这种大直径单晶炉能制出最大单晶硅就是2.5英寸。

幻实（主播）

拉制出来以后会直接做下一步的生产吗？

林健（嘉宾）

实际上都有。我刚工作的时候，很多1.5英寸、2英寸的硅片都是用于生产。当时中国的半导体厂，北边有吉林华微，南边有扬州晶体管厂，都在用这种小直径的材料。

点击图片获取半导体圈儿的“神秘组织”艾新德鲁夫更多精彩

幻实（主播）

为进一步促进政、产、学、研、用协同创新的交流与合作，中国电子材料行业协会半导体材料分会去年举办了《2021中国半导体材料产业发展（开化）峰会》。您在会上的发言主题是“砥砺过往三十年，抓住机遇展未来”，这里的机遇指什么？能不能给我们解释一下？

林健（嘉宾）

这个主题确实是我提出来的。

机遇是从2017年美国制裁中芯国际开始，再到制裁华为以及中国一些其他相关企业。当时，我们确实受到了不小的打压，在国际市场上也很难买到一些先进的零部件、设备、技术等。但这对我们本身也是一个机遇，为什么这么说？就半导体材料而言，国产8英寸、12英寸等大尺寸硅片在参数、稳定性等指标上与国外厂商相比还是有差距的。美国制裁之前，想要把国产的产品拿到器件厂、集成电路厂去用，对方基本上不愿意用，国外进口质量有保障，价格又便宜，咱们做的东西跟人家比没有多少竞争力。现在，很多国外的先进产品拿不到了，不得已而用国产，所以这是一个难得的机遇。

国产虽然质量不好、稳定性差，但是在产品落地使用后会得到不断提升的机会，能在改进技术和解决问题的过程中自主提高、完善。国外越是打压，就越逼着我国的民族企业不断前行。这几年来，我们很多民族企业的产品都做得非常好，比如上海新昇，要知道12英寸大硅片原来国际上只有5家在做。

新中国成立后国内半导体的产业发展历程

（图源：电子技术应用网）

幻实（主播）

听说他们（新昇）供不应求？

林健（嘉宾）

是的，因为都通过认证了。90纳米、40纳米、28纳米，甚至14纳米都通过了认证。此外，某种意义上说新冠疫情对中国也是一个机遇。国外很多工厂都处于半停产或者停产状态，只有中国现在一枝独秀。

幻实（主播）

除了您刚刚提到的大硅片，还有什么材料也会迎来大幅增长？

林健（嘉宾）

这种增长主要还是靠社会需求带动的。当下的社会需求主要来自5G、新能源汽车、智能手机等。作为第一代半导体材料，其实现在“几代”这种说法已经逐渐不用或者改叫元素半导体，最早的硅材料和锗材料就是元素半导体。无论是集成电路，还是其他各种半导体器件，目前90%以上都是用硅材料。在可预见的未来中，没有任何一种材料可以完全取代硅。

为什么这么说？首先，地球地壳的1/4都是硅，储量非常大；另外它的工艺成熟度很高，制造器件的成本却非常低，几乎没有任何一种材料能够取代它的这两点特性。

另一方面，其他一些新材料，比如二代砷化镓、磷化铟，我们称之为化合物材料，在某些性能、参数指标上会比硅好，例如频率、功率等。半导体器件的发展大体可以归为两个方向——一是追求功率，二是追求频率。这两项做的越大越高，器件的性能就会越好。

就频率发展而言，砷化镓材料比硅有优势，而磷化铟在频率上可以做得更高，能到太赫兹，比砷化镓又有优势。二代砷化镓材料不仅可以用于军事，还可以民用。例如我们手机中的人脸识别用的就是砷化镓材料，它的应用很广，但是使用量永远赶不上硅。

就功率发展而言，第三代半导体的碳化硅和氮化镓两种材料异军突起。要知道，碳化硅材料已经纳入了国家十四五发展规划。纯粹的碳化硅，可以做高压大功率的电力电子器件，在碳化硅衬底上增加氮化镓，可以朝着微波射频器件方向发展。另外，现在还出现了一些新材料。之前我们把碳化硅和氮化镓叫宽禁带半导体材料，它的禁带宽度是在3.2到3.4；而氧化镓这类超宽禁带或者叫第四代半导体材料，它的禁带宽度达到4.9；金刚石、氮化铝的禁带宽度就更高了，分别是5.6和6.2，这些超宽禁带的功率会更大。

半导体禁带宽度是半导体的一个重要特征参量，

其大小主要决定于半导体的能带结构

（图源：电子产品世界网）

幻实（主播）

看起来，半导体材料这条赛道太火爆了。

林健（嘉宾）

没错。据我们协会统计，目前至少30多家都在做碳化硅材料，这还不算器件厂、模块厂等。其实碳化硅的材料也分为两个方向：一个是做汽车、电力电子，另一个是做微波射频等。虽然性能上比硅、砷化镓都有优势，但还不能完全压制。坦率地说碳化硅的市场份额并没有那么大，真正能做得比较好的也就只有四、五家。

幻实（主播）

我觉得每一种材料都有自己的独特优势，但是每选择一种材料，它对应的设备、工艺，还有整个产线都要发生巨大的变化，可能它的通用性并没有那么强，选择材料时，谁来做评估和相应的认定呢？我们知道材料商处在上游，下游厂商如果不配合，新材料也难以被推广、应用。产业内目前是用一种什么样的模式在推进材料发展的？

林健（嘉宾）

材料必须跟着器件走，而器件跟着市场的需求走，没有需求这些东西做出来就没人要。所以，首先要有需求。这种需求可能基于已有材料在功率、频率等指标上的瓶颈。我们的手机也是这样一点点发展过来的，现在智能手机频率做得非常高就是为了能够实现各种功能。总之，都是从应用角度来带动半导体材料的发展。

2021年全球半导体营收增长了 25%，

预计 2022 年半导体总销售额将增长 11%

（图源： IC Insights ）

幻实（主播）

您怎么看材料市场过热的事实？

林健（嘉宾）

我认为一些资本有点盲目。一听说这种材料好，就投这种材料。换个角度看，过热不完全是坏事，刚开始我们可以广泛发展，最终再看谁有能力，谁往前走。

幻实（主播）

您了解过很多材料公司，也熟悉很多种材料，您觉得一种新材料被市场普遍采用的核心决定因素有哪些？

林健（嘉宾）

市场要有需求，材料才会有发展，这是最基本的。如果只是科学家搞理论研究，肯定没什么用。一个需求出现，为了满足它，才会针对性地研究一些新的材料。

幻实（主播）

所以做材料的从业者反而更要去到终端看看。

幻实（主播）

其实现在很多人都在议论，中国的基础科学发展慢，基础材料依旧是半导体产业链中的薄弱环节。我想向您求证一下这个观点对吗？

林健（嘉宾）

我很高兴能够看到最近几年大家从上到下开始重视基础，国家也出台了很多政策，但基础科学研究并不能一蹴而就，也不是一朝一夕就能完成的，因为它涉及的面太广了——比如说材料研究，不仅要涉及方方面面的材料知识，还要与国家的工业体系融合。为什么这么说？一种材料，国家没有设备能做出来，没有检测仪器能够检测到，那也是毫无意义的。

幻实（主播）

整体工业体系起不来，只投资材料也可能没有结果。

林健（嘉宾）

现在都讲“从0到1”的创新，其实我们在这块还很弱——我们有着出色的“从1到100”的创新能力，复制、引进、消化、吸收再创新，但是想要实现从无到有，这方面就需要国家加强对基础科学的投入。

幻实（主播）

听我们节目的有很多都是这个行业的从业者，最后我也想请您给我们分享您看到的机遇或者是一些呼吁。

林健（嘉宾）

希望大家能长期关注这个行业，不能因为国外的制裁才认识到它的重要性。政策角度来说，国家要有持续性的扶持；人才培养角度来看，现在已经有几所学校在开设相关专业，半导体材料发展的方方面面都需要一个综合性的支持，这样才能往前发展。

在集成电路中，材料是最基础的要素，其重要性不言而喻。

我国在1959年就自主拉制成功第一颗国产单晶硅，实现了从无到有的突破，可以说起步并不晚。此后的几十年中虽历经中断，但整体而言材料行业一直向前发展，硅片大小从1.5英寸增加到12英寸，其功率和频率性能均得到了巩固和提高。

但是也要看到，2018年发生的中美贸易摩擦时隔四年后依旧对我国产生着影响。一方面，美国的制裁促使国内加快了自主研发速度，改变了过去长期、普遍依赖进口的局面，为民族企业产品的升级迭代提供了机遇；另一方面资本的大量涌入使材料市场投资过热，赛道拥挤，而真正的市场份额有限，无法消化过大的投入，长此以往会拉低整个产业的发展进程。

基础研发需要高校持续不断地输送技术和人才，材料生产要根据器件需求走，而器件需求则要根据市场需求定。目前，针对我国基础学科发展较弱的问题，国家已经做出相应举措，在全国包括清华、北大、武大在内的14所高校设立了集成电路学院与研究院。相信不久的将来，我国半导体材料行业会迎来属于自己的“芯”时代。