中電科專家帶你梳理中國半導體材料發展大事紀

艾新德魯夫執行院長幻實 對話 中國電科46所首席專家中國電子材料行業協會半導體行業分會秘書長林健

新中國成立后，我國的半導體產業也迎來了新的起點和生機。

1956年國家提出“向科學進軍”，制訂了發展各門尖端科學的“十二年科學技術發展遠景規劃”，與此同時根據國外發展電子器件的進程相應地提出了中國半導體科學的發展方向，將此類技術列為國家四大緊急措施之一，從原材料開始，自力更生研究半導體器件。

六十多年后的今天，特別是改革開放以后，半導體行業已經從第一代的硅材料、鍺材料發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，從技術含量方面來講，現階段我國和世界先進水平的差距仍然較大，在一些關鍵高端領域仍有不少路要走。因此，在新的環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協會半導體材料分會的秘書長、中國電科首席專家林健先生，聽他揭秘中國半導體材料的發展大事紀。

芯片揭秘 | 中電科專家帶你梳理中國半導體材料發展大事紀

以下內容由對話整理

• 后起之秀：中國材料業三十年的發展歷程

• 機遇or挑戰？材料行業“敢問路在何方”

• 從“0”到“1”的創新該從何抓起

幻實（主播）

我對材料類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注？

林健（嘉賓）

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

幻實（主播）

您是什么時候加入材料行業的？

林健（嘉賓）

大學畢業后我就被分配到46所工作了。

幻實（主播）

您在大學里學什么？

林健（嘉賓）

學的是半導體集成電路，嚴格來講叫做半導體物理與器件，這個專業所學的內容就是集成電路；到46所工作之后，重點開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、鍺這類第一代材料開始做起的，中國的第一顆單晶硅就是我們所拉制出來的，那是1959年。

幻實（主播）

在剛解放沒幾年的時候？

林健（嘉賓）

是，為了給國慶十周年獻禮，中國自主生產了第一顆單晶硅。

丁守謙1959年9月率領團隊研制出新中國第一顆單晶硅

（圖源：天津日報新聞客戶端）

幻實（主播）

那時候46所就已經有建制了嗎？

林健（嘉賓）

當時不叫46所，而是叫做601實驗所，這是公安部的一個研究所。

幻實（主播）

為什么制造單晶硅是由公安部管呢？

林健（嘉賓）

當時這種材料比較先進，美國已經率先做出。在公安系統內據說是用于偵聽、偵測，于是公安部下達命令，安排天津市公安局負責執行。那時國內還沒有這些材料的研究人員，于是就從勞改農場里找了一些上世紀50年代從北大、清華、南開這些學校畢業的大學生、研究生，把他們中搞物理學的人集合起來，進行材料方面的研究。

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

幻實（主播）

十年間能做出來，當時應該也投入了不少代價。

林健（嘉賓）

他們基本就是以所為家，不分晝夜拼命地干。從開始動工到拉出中國第一顆單晶硅僅僅用了13個月。

幻實（主播）

這個速度跟國際比起來也不會太差吧？

林健（嘉賓）

跟當時國際的水平差了有6年左右。

幻實（主播）

是否說明我們在材料上面起步并不算太晚？

林健（嘉賓）

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

幻實（主播）

為什么后來差距就越來越遠了？

林健（嘉賓）

我國真正恢復半導體產業發展是在十一屆三中全會之后，這時候與別的國家差距已經很大了。雖然時間上差了十幾年，但實際上我們跟人家的技術差距超過二十年。

幻實（主播）

您畢業參加工作的時候是不是就在這個時間點？

林健（嘉賓）

我是1987年大學畢業的。雖然那時中國已經改革開放，但一切發展仍然舉步維艱，尤其是半導體產業剛開始復蘇，當時的工廠很難往下經營，許多都面臨倒閉。

首先，咱們與國外差距太大，我們的發展時刻遭受著國外的打壓，要知道在當時國外產品很容易就能買到；其次，由于剛剛起步，我們做的產品價格高昂，質量卻不及國外，客戶自然不愿意用。

其實上世紀80年代的半導體已經不是特別景氣了，當時我們班有40人，但真正從事相關工作的不超過10個人。

幻實（主播）

您為何能堅持下來呢？

林健（嘉賓）

有國家使命在，另外我個人對這方面也很有興趣。

幻實（主播）

在46所您最開始是做什么方向的研究？

林健（嘉賓）

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：電子發燒友網）

幻實（主播）

那個時候的半導體材料研究和現在相比有什么不同？

林健（嘉賓）

變化相當大。我剛畢業的時候，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，很少有人聽說過1.5英寸、2.5英寸這類。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院聯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（主播）

拉制出來以后會直接做下一步的生產嗎？

林健（嘉賓）

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

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幻實（主播）

為進一步促進政、產、學、研、用協同創新的交流與合作，中國電子材料行業協會半導體材料分會去年舉辦了《2021中國半導體材料產業發展（開化）峰會》。您在會上的發言主題是“砥礪過往三十年，抓住機遇展未來”，這里的機遇指什么？能不能給我們解釋一下？

林健（嘉賓）

這個主題確實是我提出來的。

機遇是從2017年美國制裁中芯國際開始，再到制裁華為以及中國一些其他相關企業。當時，我們確實受到了不小的打壓，在國際市場上也很難買到一些先進的零部件、設備、技術等。但這對我們本身也是一個機遇，為什么這么說？就半導體材料而言，國產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商相比還是有差距的。美國制裁之前，想要把國產的產品拿到器件廠、集成電路廠去用，對方基本上不愿意用，國外進口質量有保障，價格又便宜，咱們做的東西跟人家比沒有多少競爭力。現在，很多國外的先進產品拿不到了，不得已而用國產，所以這是一個難得的機遇。

國產雖然質量不好、穩定性差，但是在產品落地使用后會得到不斷提升的機會，能在改進技術和解決問題的過程中自主提高、完善。國外越是打壓，就越逼著我國的民族企業不斷前行。這幾年來，我們很多民族企業的產品都做得非常好，比如上海新昇，要知道12英寸大硅片原來國際上只有5家在做。

新中國成立后國內半導體的產業發展歷程

（圖源：電子技術應用網）

幻實（主播）

聽說他們（新昇）供不應求？

林健（嘉賓）

是的，因為都通過認證了。90納米、40納米、28納米，甚至14納米都通過了認證。此外，某種意義上說新冠疫情對中國也是一個機遇。國外很多工廠都處于半停產或者停產狀態，只有中國現在一枝獨秀。

幻實（主播）

除了您剛剛提到的大硅片，還有什么材料也會迎來大幅增長？

林健（嘉賓）

這種增長主要還是靠社會需求帶動的。當下的社會需求主要來自5G、新能源汽車、智能手機等。作為第一代半導體材料，其實現在“幾代”這種說法已經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。在可預見的未來中，沒有任何一種材料可以完全取代硅。

為什么這么說？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，幾乎沒有任何一種材料能夠取代它的這兩點特性。

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

就頻率發展而言，砷化鎵材料比硅有優勢，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，碳化硅材料已經納入了國家十四五發展規劃。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，可以朝著微波射頻器件方向發展。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更大。

半導體禁帶寬度是半導體的一個重要特征參量，

其大小主要決定于半導體的能帶結構

（圖源：電子產品世界網）

幻實（主播）

看起來，半導體材料這條賽道太火爆了。

林健（嘉賓）

沒錯。據我們協會統計，目前至少30多家都在做碳化硅材料，這還不算器件廠、模塊廠等。其實碳化硅的材料也分為兩個方向：一個是做汽車、電力電子，另一個是做微波射頻等。雖然性能上比硅、砷化鎵都有優勢，但還不能完全壓制。坦率地說碳化硅的市場份額并沒有那么大，真正能做得比較好的也就只有四、五家。

幻實（主播）

我覺得每一種材料都有自己的獨特優勢，但是每選擇一種材料，它對應的設備、工藝，還有整個產線都要發生巨大的變化，可能它的通用性并沒有那么強，選擇材料時，誰來做評估和相應的認定呢？我們知道材料商處在上游，下游廠商如果不配合，新材料也難以被推廣、應用。產業內目前是用一種什么樣的模式在推進材料發展的？

林健（嘉賓）

材料必須跟著器件走，而器件跟著市場的需求走，沒有需求這些東西做出來就沒人要。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點發展過來的，現在智能手機頻率做得非常高就是為了能夠實現各種功能。總之，都是從應用角度來帶動半導體材料的發展。

2021年全球半導體營收增長了 25%，

預計 2022 年半導體總銷售額將增長 11%

（圖源： IC Insights ）

幻實（主播）

您怎么看材料市場過熱的事實？

林健（嘉賓）

我認為一些資本有點盲目。一聽說這種材料好，就投這種材料。換個角度看，過熱不完全是壞事，剛開始我們可以廣泛發展，最終再看誰有能力，誰往前走。

幻實（主播）

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

林健（嘉賓）

市場要有需求，材料才會有發展，這是最基本的。如果只是科學家搞理論研究，肯定沒什么用。一個需求出現，為了滿足它，才會針對性地研究一些新的材料。

幻實（主播）

所以做材料的從業者反而更要去到終端看看。

幻實（主播）

其實現在很多人都在議論，中國的基礎科學發展慢，基礎材料依舊是半導體產業鏈中的薄弱環節。我想向您求證一下這個觀點對嗎？

林健（嘉賓）

我很高興能夠看到最近幾年大家從上到下開始重視基礎，國家也出臺了很多政策，但基礎科學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，還要與國家的工業體系融合。為什么這么說？一種材料，國家沒有設備能做出來，沒有檢測儀器能夠檢測到，那也是毫無意義的。

幻實（主播）

整體工業體系起不來，只投資材料也可能沒有結果。

林健（嘉賓）

現在都講“從0到1”的創新，其實我們在這塊還很弱——我們有著出色的“從1到100”的創新能力，復制、引進、消化、吸收再創新，但是想要實現從無到有，這方面就需要國家加強對基礎科學的投入。

幻實（主播）

聽我們節目的有很多都是這個行業的從業者，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。

林健（嘉賓）

希望大家能長期關注這個行業，不能因為國外的制裁才認識到它的重要性。政策角度來說，國家要有持續性的扶持；人才培養角度來看，現在已經有幾所學校在開設相關專業，半導體材料發展的方方面面都需要一個綜合性的支持，這樣才能往前發展。

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單晶硅，實現了從無到有的突破，可以說起步并不晚。此后的幾十年中雖歷經中斷，但整體而言材料行業一直向前發展，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年發生的中美貿易摩擦時隔四年后依舊對我國產生著影響。一方面，美國的制裁促使國內加快了自主研發速度，改變了過去長期、普遍依賴進口的局面，為民族企業產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投資過熱，賽道擁擠，而真正的市場份額有限，無法消化過大的投入，長此以往會拉低整個產業的發展進程。

基礎研發需要高校持續不斷地輸送技術和人才，材料生產要根據器件需求走，而器件需求則要根據市場需求定。目前，針對我國基礎學科發展較弱的問題，國家已經做出相應舉措，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院與研究院。相信不久的將來，我國半導體材料行業會迎來屬于自己的“芯”時代。