瞻觀前沿

晶體是科技發(fā)展的基石，也是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、通信、航空、激光技術(shù)等領(lǐng)域不可或缺的關(guān)鍵材料。傳統(tǒng)制備大尺寸晶體的方法，通常是在晶體小顆粒表面自下而上層層堆砌原子，好像蓋房子，從地基逐層砌磚，最終搭建成屋。然而，這種自下而上的表面堆砌原子生長(zhǎng)方式存在一定局限性，不僅限制了晶體種類多樣性，也會(huì)隨著原子數(shù)目不斷增加，缺陷逐漸累積，進(jìn)而限制了晶體質(zhì)量。

北京大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首創(chuàng)出一種全新的晶體制備方法，并自主命名為晶格傳質(zhì)-界面生長(zhǎng)，這是一種從界面生長(zhǎng)，頂著上方結(jié)構(gòu)往上走的頂蘑菇式的生長(zhǎng)方式，可保證每層晶體結(jié)構(gòu)的快速生長(zhǎng)和均一排布，有效避免缺陷的積累，極大提高了晶體結(jié)構(gòu)可控性。這種長(zhǎng)材料的新方法有望提升芯片的集成度和算力，為新一代電子和光子集成電路提供新的材料。相關(guān)研究成果以《多層菱方相過(guò)渡金屬硫族化合物單晶的界面外延》為題日前在《科學(xué)》雜志在線發(fā)表。

北京大學(xué)物理學(xué)院凝聚態(tài)物理與材料物理研究所所長(zhǎng)劉開(kāi)輝介紹，這是一種顛覆傳統(tǒng)晶體生長(zhǎng)方式的晶體制備新范式：先將原子在地基，即厘米級(jí)的金屬表面排布形成第一層晶體，新加入的原子再進(jìn)入金屬與第一層晶體間，頂著上方已形成晶體層生長(zhǎng)，不斷形成新的晶體層。這和自然界中很多植物的生長(zhǎng)方式類似，就像頂蘑菇一樣。

實(shí)驗(yàn)證明，這種長(zhǎng)材料的獨(dú)特方法可使晶體層架構(gòu)速度達(dá)到每分鐘50層，層數(shù)最高達(dá)1.5萬(wàn)層，且每層的原子排布完全平行、精確可控，有效避免了缺陷積累，提高了結(jié)構(gòu)可控性。利用此新方法，團(tuán)隊(duì)現(xiàn)已制備出硫化鉬、硒化鉬、硫化鎢等7種高質(zhì)量的二維晶體，這些晶體的單層厚度僅為0.7納米，而目前使用的硅材料多為5到10納米。

圖片來(lái)源：攝圖網(wǎng)

技術(shù)價(jià)值觀察

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈具體包括上游半導(dǎo)體原材料與設(shè)備供應(yīng)、中游半導(dǎo)體產(chǎn)品制造和下游應(yīng)用。其中，半導(dǎo)體材料處于上游供應(yīng)環(huán)節(jié)，材料品類繁多，按制造流程可細(xì)分為前端制造材料和后端封裝材料。半導(dǎo)體設(shè)備，即在芯片制造和封測(cè)流程中應(yīng)用到的設(shè)備，廣義上也包括生產(chǎn)半導(dǎo)體原材料所需的機(jī)器設(shè)備。在整個(gè)芯片制造和封測(cè)過(guò)程中，會(huì)經(jīng)過(guò)上千道加工工序，涉及到的設(shè)備種類大體有九大類，細(xì)分又可以劃出百種不同的機(jī)臺(tái)，占比較大市場(chǎng)份額的主要有：光刻機(jī)、刻蝕機(jī)、薄膜沉積設(shè)備、離子注入機(jī)、測(cè)試機(jī)、分選機(jī)、探針臺(tái)等。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)下游應(yīng)用領(lǐng)域包括網(wǎng)絡(luò)通信、計(jì)算機(jī)、消費(fèi)電子、工業(yè)控制、汽車電子等。

我國(guó)科研團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)出一種全新晶體制備方法，為新一代電子和光子集成電路提供新的材料因此，從半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈上看，該技術(shù)處于產(chǎn)業(yè)鏈的上游原材料環(huán)節(jié)。

宏觀市場(chǎng)觀察

——全球半導(dǎo)體行業(yè)經(jīng)歷了三次遷移

自發(fā)展以來(lái)，全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)格局在不斷發(fā)生變化。當(dāng)前，全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正在經(jīng)歷第三次產(chǎn)能轉(zhuǎn)移，行業(yè)需求中心和產(chǎn)能中心逐步向中國(guó)大陸轉(zhuǎn)移。

——全球半導(dǎo)體行業(yè)規(guī)模

2017-2021年全球半導(dǎo)體行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模波動(dòng)變化，2019年存儲(chǔ)芯片市場(chǎng)下滑嚴(yán)重導(dǎo)致全球半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模出現(xiàn)下降，2020年以來(lái)恢復(fù)增長(zhǎng)。根據(jù)美國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)(SIA)發(fā)布數(shù)據(jù)，2021年達(dá)到5559億美元，較2020年增長(zhǎng)26%。

——全球半導(dǎo)體硅片行業(yè)規(guī)模

2022年在車用、工業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)以及5G建設(shè)等應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)下，8英寸和12英寸半導(dǎo)體硅片需求同步成長(zhǎng)。SEMI認(rèn)為，盡管市場(chǎng)對(duì)總體經(jīng)濟(jì)憂慮加深，但半導(dǎo)體硅晶圓市場(chǎng)仍持續(xù)推進(jìn);據(jù)國(guó)際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)(SEMI)統(tǒng)計(jì)，過(guò)去10年有9年出貨量呈現(xiàn)增長(zhǎng)，顯示硅晶圓在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中具有重要地位。2022年全球半導(dǎo)體硅片出貨面積達(dá)147.13億平方英寸，同比增長(zhǎng)3.9%。

近年來(lái)全球半導(dǎo)體硅片行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模呈波動(dòng)增長(zhǎng)走勢(shì)，僅2019-2020年市場(chǎng)規(guī)模有所下降，主要原因在于中美貿(mào)易問(wèn)題和下游消費(fèi)電子市場(chǎng)疲軟。根據(jù)SEMI統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2022年全球半導(dǎo)體硅片市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到138億美元，增速9.52%，比2016年全球半導(dǎo)體硅片市場(chǎng)規(guī)模增加66億美元。

——全球半導(dǎo)體設(shè)備行業(yè)規(guī)模

隨著全球半導(dǎo)體市場(chǎng)的繁榮發(fā)展，半導(dǎo)體設(shè)備需求也在增長(zhǎng)。2021年全球半導(dǎo)體設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到1030億美元，較2020年增長(zhǎng)42.24%。SEMI預(yù)測(cè)，2022年全球半導(dǎo)體設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到1180億美元。

2021年全球半導(dǎo)體晶圓制造設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到622億美元，較2020年增長(zhǎng)40.68%。2022年全球半導(dǎo)體晶圓制造設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將超過(guò)1000億美元。

——全球半導(dǎo)體材料規(guī)模分布

從需求來(lái)看，根據(jù)國(guó)際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)(SEMI)的數(shù)據(jù)，2021年全球半導(dǎo)體材料主要分布在亞洲、北美和歐洲地區(qū)。2021年中國(guó)半導(dǎo)體材料市場(chǎng)總規(guī)模為266.4億美元(中國(guó)大陸+中國(guó)臺(tái)灣)，占世界總規(guī)模超過(guò)40%，成為世界第一大半導(dǎo)體材料消費(fèi)國(guó)，韓國(guó)、日本緊隨其后。

——全球半導(dǎo)體企業(yè)開(kāi)展多方面競(jìng)爭(zhēng)

半導(dǎo)體行業(yè)高度全球化，大量國(guó)家/地區(qū)的企業(yè)在半導(dǎo)體生產(chǎn)的多個(gè)方面展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)，從半導(dǎo)體設(shè)計(jì)到制造，再到ATP(組裝、測(cè)試和封裝)。

據(jù)美國(guó)研究機(jī)構(gòu)Gartner發(fā)布的報(bào)告顯示，2021年全球半導(dǎo)體行業(yè)排名前十的企業(yè)分別是三星(Samsung)、英特爾(Intel)、SK海力士(SK Hynix)、美光(Micron)、高通(Qualcomm)、博通(Broadcom)、聯(lián)發(fā)科技(MediaTek)、德州儀器(TI)、英偉達(dá)(NVIDIA)、超威半導(dǎo)體(AMD)。其中，三星(Samsung)超過(guò)英特爾(Intel)，成為頂級(jí)芯片銷售商。2021年三星的半導(dǎo)體收入激增31.6%，達(dá)到759.5億美元。英特爾的收入下降到第二位，只增長(zhǎng)了0.5%，達(dá)到731億美元，銷售額在前25家公司中增長(zhǎng)最慢。

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