拐点将至？一文带你快速了解半导体发展趋势
太绝对的导电和不导电的物质都没什么特别的意思，而在不同情况下导电性质发生变化的东西才够有意思。现在让我们一起来看一下所谓半导体吧。
PART.01
了解半导体
集成电路中的常见半导体元器件（图来源于网络）
半导体在集成电路、消费电子、通信系统、光伏发电、照明、大功率电源转换等领域都有应用，大部分的电子产品，如计算机、移动电话或是数字录音机当中的核心单元都和半导体有着极为密切的关联。
半导体按照化学成分可以分为两类：元素半导体和化合物半导体。
单元素半导体：以单一元素组成的半导体，属于这一材料的有硼、锗、硅、灰锡、锑、硒、碲等，其中锗、硅材料研究较早，制备工艺相对成熟。 双元素化合物半导体：由两种确定的原子配比形成的化合物半导体，例如砷化镓、磷化铟、硫化镉、碲化铋、氧化亚铜等。三元素化合物半导体：由三种已确定的原子配比形成的化合物半导体，例如磷砷化镓、三元黄铜矿等。
半导体材料的发展至今为止也是经历了四个阶段：
向上滑动阅览
第一代半导体材料：
应用场景十分广泛，从尖端的CPU、GPU、存储芯片，再到各种充电器中的功率器件都可以做，但其自身特性限制了在高频高压高功率器件的应用。
第二代半导体材料：
以砷化镓 (GaAs)、磷化铟 (InP)为代表，随着以光纤通信为基础的信息高速公路和互联网的兴起，GaAs、InP等第二代半导体材料开始崭露头角。与硅相比，第二代半导体材料具有禁带宽度大、电子饱和迁移率高、光电特性好、耐高温、抗辐射等特性。磷化铟半导体激光器是光通信系统的关键器件，砷化镓高速器件更开拓了光纤及移动通信新产业。第三代半导体材料：
以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）为代表，第三代半导体材料具有更优的电子迁移率、带隙、击穿电压、高频、耐高温的特性。碳化硅材料具有非常重要的战略意义，其应用市场巨大，SiC的市场应用领域偏向1000V以上的中高电压范围，具有高压、高温、高频三大优势，比Si更薄、更轻、更小巧，主要应用于高温、高频、抗辐射、大功率器件、半导体激光器等。第四代半导体材料：
以氧化镓(Ga2O3)为代表，作为新型的宽禁带半导体材料，氧化镓（Ga2O3）由于自身的优异性能，凭借其比第三代半导体材料SiC和GaN更宽的禁带，在紫外探测、高频功率器件等领域吸引了越来越多的关注和研究。氧化镓是一种宽禁带半导体，其导电性能和发光特性良好，因此，其在光电子器件方面有广阔的应用前景，业内对它更大的期待是用于功率器件。使用氧化镓制作的半导体器件可以实现更耐高压、更小体积、更低损耗，可以有效降低新能源汽车、轨道交通、可再生能源发电等领域在能源方面的消耗。向上滑动阅览
1890年，世界第一台机械计算机诞生。
1900年，发明半导体材料。
1925年，Julius Edgar Lilienfeld提出场效应晶体管概念。
1945年，贝尔实验室计划针对硅和锗等新材料进行有目标的基础研究，成立了以William Shockley为组长的“半导体小组”，成员包括JohnBardeen和Walter Brattain Bardeen和Brattain。
1946年，发明第一台电子管计算机ENIAC。
1947年，贝尔实验室发明第一只点接触晶体管，从此光刻技术开始了发展。
1948年1月，贝尔实验室Shockley发明了三明治结构的双极性结式晶体管；由于点接触式晶体管不能实现量产，结式晶体管的出现使得现代半导体工艺成为可能，为许多半导体公司的兴起做出了重大贡献。
1949年，Shockley提出pn结和双极型晶体管理论。
1950年，发明重氮萘醌酚醛树脂系光刻胶。
1950年，奥耳发明离子注入工艺。
1950年，制造成功结型晶体管。
1950年，日本东北大学的Jun-ichi Nishizawa（西泽润一）和Y.Watanabe（渡边宁）发明了静电感应晶体管（Staticin ductiontran sistor，SIT）。
1951年，发明场效应晶体管。
1951年，贝尔实验室制造出第一只锗双极型晶体管。
1952年，发表半导体集成电路设想。
1952年，Shockley提出结式场效应晶体管（Junction field-effect transistor，JFET），同年基于晶体管的助听器和收音机就投入市场。
1952年，德州仪器制造出第一只硅双极型晶体管。
1954年1月，贝尔实验室Morris Tanenbaum制备了第一个硅晶体管。
1954年4月14日，德州仪器GordonTea（l原贝尔实验室）实现了商业化的硅晶体管。
1954年，开创聚乙烯醇肉桂酸酯光刻胶。
1956年，富勒提出扩散结工艺。
1956年，世界第一台晶体管计算机TX-O诞生。
1956年，通用电气发明了晶闸管。
1956年，Bardeen、Brattain、Shockley获得了诺贝尔物理学奖。
1957年，提出光刻工艺。
1957年，仙童半导体制造第一只商品化原始平面晶体管。
1958年，EastmanKodak开发成功适合半导体工业的环化橡胶-双叠氮系负性光刻胶，首次应用于半导体制造过程。同期Shipley也研发成功适合半导体工业的光刻胶。
1958年，德州仪器研制成功世界第一块数字集成电路（锗）。
1958年9月12日，德克萨斯公司杰克•基尔比（Kilby）研制出世界上第一块双极型平面集成电路。
1959年，世界上第一台晶体管计算机诞生。仙童半导体提出光刻工艺。仙童半导体研制世界第一个适用单结构硅晶片及世界第一块适用单结构硅芯片集成电路。
1959年，贝尔实验室Dawon Kahng和Martin Atalla发明了金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。
1959年，仙童半导体Jay Last和Robert Noyce在母公司的支持下，制造了世界上第一台“步进重复（Step and repeat）”相机，使用光刻技术在单个晶圆片上制造了许多相同的硅晶体管。
1959年，仙童公司Robert Noyce提交了平面工艺的专利，从此开始了集成电路时代。
1959年7月30日，仙童公司Noyce发明了平面工艺双极型集成电路，用铝作为导电条制备集成电路，开始有了半导体集成电路平面加工工艺，即开始有了光刻工艺。该工艺使用一种叫作光学蚀刻的处理方法，类似于利用底片冲洗照片的过程。开始在一片锗或硅上面喷洒上一层叫作抗蚀剂的物质，光照后抗蚀剂会变坚硬，然后用一种特殊的化学药品清除掉没有被光照射到的抗蚀剂。后来创造了光掩模版，就像一张底片，通过曝光再把底上的图形复制到硅片上，这种平面加工方法堪称为“20世纪意义最重大的成就之一”，其奠定了硅作为电子产业中关键材料的地位。2000年Kilby因为发明集成电路而获得当年的诺贝尔物理学奖，“为现代信息技术奠定了基础”。
1959年，由Ephraim Radner创办仅一年的美国地球物理公司（Geophysical Corporation of America，GCA）收购David W.Mann Company，制造出采用离轴对准，e线（577nm）曝光光源，可实现光掩模上的电路图案缩小后与硅片电路图案之间精确对准的分步重复式精密缩小曝光装备（简称精缩机）。
1960年代，仙童提出CMOS集成电路制造工艺，制造了第一台集成电路计算机IBM360，并且建立了世界上第一台2inch（1inch=2.54cm）集成电路生产线，GCA开发出光学图形发生器和分布重复精缩机。
1960年，卢耳发明外延生长工艺。
1960年，研制出外延平面晶体管。
1961年，GCA首次发布光学分步重复曝光系。
1961年，发明化学气相淀积技术。
1962年，研制成功MOSFET器件。
1962年，开发出MOS集成电路制造工艺，研制出12个元件基础集成电路模块。
1963年，仙童提出互补金属氧化物半导体（CMOS）场效应晶体集成电路制造工艺。
1963年，苏斯（Süss）为西门子公司（Siemens）开发了第一台掩模对准仪MJB3（接触式光刻机原型）。
1964年，世界第一台集成电路计算机IBM-360诞生。
1965年，仙童公司摩尔（Moore）提出了摩尔定律（Moore’slaw）：集成电路上可容纳的元器件的数目，每隔18~24个月便会增加1倍，性能也将提升1倍（摩尔定律起初说是每年翻1番，10年后改为2年翻1番。后来又修改为每年翻1番、每3年翻2番）。这个定律本来是描述此前半导体产业发展的经验公式，结果竟然奇迹般地揭示了此后50多年信息技术进步的速度。为了协调半导体产业的发展，从20世纪90年代起，国际半导体产业界开始筹划研究路线图（包括美、欧、日、韩及中国台湾等半导体产业发达的国家和地区）。从1998年开始，半导体技术国际路线图（International Technology Roadmap for Semiconductors）每2年发布1次。然而，2016年发布的新的路线图，首次不再强调摩尔定律，而是制定了超越摩尔的战略（More than Moore strategy）：以前是芯片先行、应用跟随（应用跟着芯片走），今后则是芯片为应用服务。
1965年，研制出100个元件的小规模集成电路（SSI）和1000个元件的中规模集成电路（MSI）。
1965年，成立于1951年的库力索法半导体工业公司（Kulick＆Soffa）推出首款商用接触式对准器（Aligners）。
1966年，成功研制出第一块CMOS门阵列（50门）。
1966年，建立了世界第一条2inch集成电路生产线。
1967年，Dawon Kahng和施敏（S.M.Sze）制作了浮栅型MOSFET（FGMOS），为半导体存储技术奠定了基础。
1968年，GCA开发出光掩模版制造设备——光学图形发生器（GCAPG3600F），同年Veridyne Semiconductor收购光掩模制造公司Electromask。
1968年，Kasper Instruments成立，专业生产接触式掩模对准器（接触式光刻机）。
1968年，成立于1846年的卡尔蔡司公司（Carl Zeiss）首次进入曝光系统镜头领域，为德国半导体商Telefunken提供了第一款用于电路板曝光机（Circuit board printer）的镜头，分辨率为15μm。
1969年，Computer vision Corp.创立，进入计算机辅助设计与绘图系统（Computer-aided design and drafting system，CADDS）领域。科天公司（KLA）创始人KenLevy配合Joe Sliwkowski把半导体掩模对准仪和手动对准器相结合研发出自动对准系统（Autolign）。
1969年，成立于1917年的尼康公司（Nikon）开发了第一台光学分步重复系统曝光机（Repeater）。
1971年推出精密光学测距设备MND-2，成功用于光掩模坐标测量，为研制高分辨率光学系统、高精度位置检测和高精密对准精度的曝光装备奠定了基础。
1970年代，GCA开发出第一台分布重复投影曝光机，集成电路图形线宽从1.5μm缩小到0.5μm节点。
1970年，硅平面加工工艺技术和光刻技术逐渐成熟，双极型集成电路开始大批量生产，特征尺寸为180nm。
1970年，Bell Western开发出激光扫描图形发生器。
1970年，依托复印机、成像系统和摄像系统产品起家的日本佳能公司开始研发接触式光刻机。
1971年，研制出1024位随机存储器（DRAM），进入大规模集成电路（LSI）时代（8μm工艺）。同年，英特尔公司（Intel）研制出第一块微处理器（4004）。
1972年，世界第一条3inch集成电路生产线建成。
1973年，半导体设备和材料国际组织（SEMI）举行第一次国际标准化会议。
1974年，推出第一块CMOS微处理器1802。
1974年，研制成功8位处理器，4μm工艺。
1974年，Dennard提出等比例缩小定律。
1974年，相继开发出电子束曝光机、各种投影光刻机、离子注入机、洁净室等集成电路关键工艺设备技术。
1975年，世界第一条4inch集成电路生产线建成。
1976年，16KBDRAM和4KB静态随机存储器（SRAM）问世。
1978年，研制出64KBDRAM，世界进入超大规模集成电路（VLSI）时代。
1978年，GCA在1968年开发的分步重复精密缩小掩模曝光设备的基础上推出真正意义的自动化步进式投影光刻机4800DSW。曝光的集成电路版图线宽尺寸从1.5μm缩小到0.5μm的工艺节点。
1979年，国际商业机器公司（IBM）推出世界第一台PC机（8088）。
1980年代，美国硅谷光刻集团（SVGL）开发出第一代步进扫描投影曝光机，集成电路图形线宽从0.5μm缩小到0.35μm节点。
1980年，研制出256KB DRAM和64KB CMOS SRAM。
1980年后，国际上光刻机研发迅速发展，在自动化步进重复式光刻机出现后，全球正式开启了群雄争霸的光刻机大发展时代。
1980年，日本尼康公司依托其照相机技术开始研发半导体光刻设备。
1981年，研制出世界上第一台便携式计算机OsborneI。
1982年，世界第一条5inch集成电路生产线建成。
1983年，研制出16位微处理器1.5μm工艺的80286 CPU和80C86 CPU。
1984年，研制出1MB DRAM。1985年，研制出32位微处理器80386 CPU 20MHz（1μm工艺）。
1986年，世界第一条6inch集成电路生产线建成。
1986年，研制出4MB DRAM。
1986年，世界进入集成度达1亿个单元的极大规模集成电路（ULSI）时代。
1986年，推出第一款平板显示（FPD）光刻设备，主要是制造半导体集成电路光刻机和平面显示大面积面板光刻设备。
1987年，张忠谋创建了全球第一家专业代工公司，台湾积体电路制造股份有限公司（台积电），开创了半导体代工时代。
1987年，开发出准分子激光光源的曝光工艺。
1988年，世界第一条8inch集成电路生产线建成。
1988年，研制出16MB DRAM。
1989年，研制出32位80486微处理器（25~50MHz，1~0.8μm），采用CMOS工艺，包含120万个晶体管。同年，1MB DRAM进入市场。
1990年代，日本佳能公司开发直径300mm晶片的光刻机，并推出EX3L和5L步进扫描投影光刻机；荷兰阿斯麦尔公司（ASML）推出193nm波长步进扫描光刻机FPA2500，光学光刻分辨率到达70nm。
1990年，研制出64MB DRAM。
1991年，研制出80586 CPU（0.8μm工艺）。
1992年，硅片直径达到200mm（俗称8inch）。
1992年，研制出64位微处理器。
1993年，研制出256MB DRAM。
1993年，研制出66MHz Pentium微处理器。
1995年，研制出64位Pentium MMX微处理器，133~200MHz，采用0.6~0.35μm工艺。
1996年7月，在美国主导下，33个西方国家签署了《关于常规武器和两用物品及技术出口控制的瓦森纳协定》。并在“巴黎统筹协会”框架下，将原来的17个成员国，扩充到42个成员国，继续对我国实施高技术禁运、打压，世界最先进的两到三代设备技术不允许进入中国。西方国家对中国半导体技术及光刻机等设备出口，一般都遵循“N−2”的原则审批，即比最先进技术落后两代。如果再在审批过程中适当拖延一下，基本上中国能拿到的设备技术就落后三代甚至更多。
1996年，研制出1GB DRAM。
1996年，世界进入集成度达10亿个单元的巨大规模集成电路（GLSI）时代。
1997年，胡正明领导研究出BSIM，从MOSFET晶体管的复杂物理推演出数学模型，发明了鳍式场效晶体管（Fin FET）和平面晶体管（FD-SOI）等多种新结构器件，对微电子器件可靠性物理研究贡献突出。
1997年，研制出64位Pentium Ⅱ微处理器，233~453MHz，采用0.35~0.25μm工艺。
1999年，研制出64位Pentium Ⅲ微处理器，450~550MHz，采用0.25μm工艺。
1999年，研制出1GB SDRAM，采用0.18μm工艺。
1999年，研制出光子计算机芯片。
2000年以来，在光学光刻技术和光学分辨率增强技术的突破下，人们不断超越传统光学光刻分辨率“极限”的同时，开展下一代光刻（NGL）的研究，包括极紫外线光刻技术、电子束光刻技术、X射线光刻技术、纳米压印技术等。
2000年，研制出Pentium IV微处理器，1~3GHz，采用0.18~0.13μm工艺。
2000年，超微半导体公司（AMD）研制成功50nmCMOS器件，日本电气股份有限公司（NEC）研制成功45nm CMOS器件。AMD后又研制成功35nm CMOS器件。
2001年，AMD研制成功15nm NMOS器件。
2002年，硅片直径达到300mm（俗称12inch）。一块300mm直径的晶圆，16nm工艺可以做出100块芯片，10nm工艺可以做出210块芯片。
2002年，Intel研制成功15nmNMOS器件。
2002年，国际光刻机技术取得了重大突破。林本坚先生以水作为介质的193nm浸润式浸没透镜光刻技术方案获得成功。
2004年，国际突破浸没式光刻机技术，ASML和台积电共同研发出第一台浸润式浸没透镜光刻机XT：1700i。因其优秀的性能和稳定的技术，45nm CMOS器件达到量产，摩尔定律得以继续延伸。
2004年，上海华虹转向芯片代工，正式开启我国芯片产业的探索道路。
2004年，研制出64位Pentium MMX微处理器、200MHz、90nm CMOS器件，达到量产。
2005年，Intel推出基于65nm工艺的处理器。
2007年，Intel宣布与台积电同时生产45nm工艺的芯片。
2007年，ASML成功推出第一台浸没式光刻机TWINSCANXT：1990i，采用折射率达到1.44的去离子水作为媒介，实现了45nm的工艺流程，垄断光刻机市场。当时日本尼康、佳能主推的157nm光源干式深紫外光刻（DUV）扫描投影光刻机被市场抛弃。
2008年，Intel完成基于32nm的制造工艺开发。
2009年，IBM展示22nm的极紫外（EUV）光刻验证芯片。
2009年9月，Intel第一次向世人展示了22nm工艺晶片。
2011年年初，IBM展示了全世界第一块20nm工艺晶圆，使用了HKMG和Gate-Last技术。
2011年7月，韩国三星电子公司也宣布完成了全球第一颗20nm工艺试验芯片的流片。
2011年8月，AMD宣布，20nm工艺试验芯片成功流片。
2011年，台积电具备了22nm/20nm工艺节点的制造能力。
2012年4月24日，Intel发布核心代号为Ivy Bridge的首款22nm工艺第三代酷睿处理器，包含14亿个晶体管。
2015年，荷兰光刻机巨头ASML经过10年的研发，终于将EUV光刻机开发到了可量产的状态。ASML是唯一的高端光刻机生产商，其能够生产7nm以下工艺节点集成电路芯片的高端纳米光刻机，每台售价至少1亿美金，2017年只生产了12台，2018年预计能生产24台。这些光刻机都被台积电、三星、Intel购走。2019年生产的40台中，其中一台被我国中芯国际购走，但美国一直阻挠设备进入中国。
2015年，特征尺寸达到14nm工艺。
2015年，世界第一块7nm芯片实验成功。
2017年，世界第一块5nm芯片实验成功。同年，Intel宣布在下半年推出10nm工艺的处理器。
2019年，尼康总共销售了47台光刻机，占全市场的13%，佳能光刻机销售了82台，但是集中在第一、第二代古老的光刻机。光刻是集成电路最重要的加工工艺，在整个芯片制造工艺中，几乎每个工艺的实施，都离不开光刻的技术。光刻也是制造芯片的最关键技术，它占芯片制造成本的35%以上。
2019年，欧洲微电子研究中心（IMEC）宣布了等效3nm及以下光刻工艺的技术细节，ASML制定了等效3nm、2nm、1.5nm、1nm，甚至1nm以下的芯片工艺技术路线图。
2020年，集成电路科学与技术的发展已经进入后摩尔时代：
1）迈进（More Moore，延续摩尔）；
2）探索（More than Moore，拓展摩尔）；
3）演绎（Beyond Moore，超越摩尔）；
4）未来（Much Moore，丰富摩尔）。
2021年8月24日，根据IC insights公布的数据，最新一期全球半导体厂商十强排名分别是：三星（韩国Samsung）、英特尔（美国Intel）、台积电（中国台湾TSMC）、SK（韩国SKHYnix海力士）、美光（美国Micron）、高通（美国Qualcomm）、英伟达（美国Nvidia）、博通（美国Broadcom）、联发科（中国台湾MediaTek）和德州仪器（美国TI）。 2021年第一季度，全球知名机构集邦咨询（TrendForce）正式对外公布全球芯片代工厂十强排名，分别是：台积电、三星、联电、格芯（美国GlobalFoundries）、中芯国际（中国SMIC）、力积电（中国台湾PSMC）、高塔半导体（以色列Tower）、世界先进（美国VIS）、华虹半导体（中国HH Grace）和上海华力（中国HLMC）。根据Trend Force的数据，台积电2021年第一季度的收入达129亿美元，占全球芯片代工收入的57%左右，2021台积电的投资将会达到300亿美元，未来3年总计达到1000亿美元。 2021年第二季度，TrendForce正式对外公布的全球芯片代工厂十强排名分别是：台积电、三星、联电（中国台湾UMC）、格芯、中芯国际、华虹半导体（含华力）、力积电、世界先进、高塔半导体和东部高科（韩国DBHiTek）。 2021年，台积电公布了未来在6，5，4，3，2nm的新工艺进展。台积电宣称，根据试验，纳米片晶体管可将阈值电压波动降低至少15%。目前，台积电的2nm工艺刚刚进入正式研发阶段，根据此前消息，2nm工艺将于2023年试产、2024年量产。其最大特点是会首次引入纳米片（Nanosheet）晶体管，取代现在的Fin FET结构。 2022年，台积电将推出3nm芯片，预计将设计出世界第一款2nm芯片。
PART.02
半导体行业现状
半导体产业链主要包括上游原材料和半导体设备，中游为半导体产品制造，下游为各大应用领域。
在整个芯片制造和封测过程中，会有一系列加工工序，所涉及的半导体设备主要分为九大类，市场份额较高的设备主要为光刻机、刻蚀机、薄膜沉积设备、离子注入机、测试机等。
向上滑动阅览
据世界半导体贸易统计协会（WSTS）数据，全球半导体行业市场规模从2015年的3353.75亿美元提升至2022年的5740.84亿美元，CAGR为7.98%。WSTS预计2023年受下游需求不振及全球经济低迷影响，全球半导体市场规模同比下滑10.28%，市场规模为5150.95亿美元。
向上滑动阅览
中国半导体行业市场规模从2015年的986亿美元增长至2022年的1803亿美元，CAGR为9.00%，约占全球半导体行业市场规模三分之一。
伴随着国内半导体材料厂商技术水平和研发能力的提升，中国半导体材料市场规模提升速度高于全球。2016-2022年国内半导体材料市场规模由68亿美元提升至129.8亿美元，CAGR达到9.7%。
PART.03
半导体行业趋势
四大因素推动半导体材料国产化进程：
（1）政策环境：在政策的引导支持下，中国半导体材料行业持续稳步发展
（2）市场环境：产业转移产生大量需求，市场规模进一步扩大
（3）资本环境：资本持续进入，其中包括国家大基金重点布局
（4）技术发展：多领域实现重要突破，部分产品可比肩世界领先水平
-- 联系方式 --