作为百亿美元级别的行业，半导体材料的市场规模不算很大，但其内部材料种类繁多，单一产品市场规模小、技术要求高、子行业之间差异较大。其中硅片占比半导体材料市场销售额高达36.6%，是晶圆厂采购材料中最重要的环节。
硅材料因其具有单方向导电特性、热敏特性、光电特性、掺杂特性等优良性能，可以生长为大尺寸高纯度晶体，且储量丰富、价格低廉，故而成为全球应用最广泛、最重要的半导体基础材料，并发挥着重要的行业支撑作用。
目前全球半导体市场中，90%以上的芯片和传感器都是基于硅材料制造而成，广泛应用于IC、LED、MEMS、分立器件等领域，其中IC领域应用占比和难度最大。今天的电脑、手机、汽车、高铁和上网所需的5G宽带技术等等,这些使现代社会区别于电气时代的技术,最底层都是以硅为核心的半导体技术。
硅片的原材料是石英，也就是通常所说的沙子，可以直接在自然界中开采。石英矿石的主要原料是二氧化硅，硅片制造厂需要从石英中提炼出多晶硅，然后通过直拉法或区熔法这两种工艺制备出单晶硅棒（纯度99.999999999%）。其中直拉法是最常用的制备工艺，目前85%以上的单晶硅都是用直拉法生长出来，直拉法是在石英坩埚中进行，优势在于更适合大尺寸单晶硅棒的拉制，生长速率较快，单台设备价值相对较低；区熔法不需要坩埚，而是在气氛或真空炉中进行，产品的纯度更高，不易受氧、碳等杂质影响，常用做IGBT功率半导体器件的原材料，然而受晶体生长机制的限制，区熔法不适用于大尺寸的硅片制作。制备出单晶硅棒后还需要通过整型、切片、倒角、磨边、刻蚀、抛光、清洗等一系列工艺制作成硅片。
半导体是这样一类材料,它既不绝缘,又不是像金属一样的导体,它的导电性可以通过光、电、热等外部条件的变化而改变,我们可以在一块半导体的两边掺入不同元素,使半导体的一边成为空穴浓度高的p型半导体,另一边成为自由电子浓度高的n型半导体,空穴和电子都向对方扩散,在两锗的交汇处会形成一个特殊的界面,这个界面就是PN结,PN结中会形成一个内建电场,外部电场与它方向相反时半导体就导电,反过来就不能导通,就是利用半导体的这种特性,人们才造出了各种各样的晶体管,但是不同种类的半导体,因为化学性质的不同,跟造晶体管的适配程度是有高低之分的,其中有两个参数最重要——载流子迁移率和带隙,载流子迁移率指的是半导体内部载流子在电场作用下移动的快慢程度,包括了P、N型半导体中带负电的电子和带正电的空穴,电子迁移率对晶体管来说,半导体的电子迁移力越高,晶体管能耗越低,开关速度也越快,这是因为电子在移动过程中会和原子相撞,将一部分动能转移给原子,使得原子的热运动加剧,这部分能量就以热量的形式浪费了,电子迁移率高说明电子不容易与原子相撞,产生的热量就少,能耗也越低,与此同时,晶体管在做开关时,电流并不会瞬间变为最大或变成0,而是会存在一个延迟,电子迁移率越高,这个延迟就越短,开关速度也就越快。
上世纪50年代半导体刚火那阵,行业热门的半导体并不是硅,而是锗。人类发明的第一个晶体管和第一块集成电路都是锗做的,其中一个重要原因就是锗的电子迁移力远大于硅,当时锗晶体管制成的计算机,运算速度远大于硅晶体管制成的计算机。
但锗并不是完美的,它的问题是性能在温度超过75度时会大打折扣,而相比之下,硅能在170度的高温下保持原样,而这差别的根源就要说到另一个重要参数——带隙。带隙是什么？电子绕原子核运动,从内而外形成的多个轨道,越靠外的轨道电子能量越高,不同原子的外层电子之间可以形成共价键,这些电子被称为价电子,他们的能量范围也被称为价带,当这些价电子从外部获得,足够大的能量,就能摆脱原子核束缚,成为自由电子,而这些自由电子的能量范围,就被称为导带,导带和价带之间的能量差,就被称为带隙,带隙越宽,价带和导带之间的能量差越大,价电子就越难变成自由电子,而高温高压等环境,从本质上来说,都是从外部给电子1能量,所以一种材料的带隙越宽,就能承受越高的电压和温度,而硅的带隙远大于锗,所以硅才比锗更耐热。
总的来说,锗的电子迁移率更高,而硅的带隙更宽,在化学性质上可以说是各有千秋。那么为什么最终受欢迎的是硅呢？归根结底的原因是在价格。50年代硅之所以被地壳含量远不如自己的锗打败,最大的原因就是不如锗便宜。1959年硅晶体管的单价是14.53美元,而锗晶体管只有1.96美元；但到了60年代,硅的制造工艺有了突破,成本下降,于是硅才最终翻身,之后硅就基本统治了半导体行业,即便后来半导体的用途越来越多,像集成电路、通信系统、光伏发电、大功率电源转换等,不同的领域要求也都不一样,但这些要求硅都能满足,也因此硅成了半导体“常青树”。
但是到了今天硅遇到了难以越过的瓶颈,尤其是在半导体中的两大类——功率半导体和芯片半导体上。
功率半导体是电路中电流开关、变压、整流等控制电路的核心器件的材料,一般用在通信、新能源汽车、高铁这些地方,比如 5G基站,就大量用到了射频功率半导体器件。几十年前,硅还能满足功率半导体的需求,然而随着技术发展,功率半导体面对的工作环境,变得越来越苛刻,今天在高铁,风电的应用场景中,功率半导体,往往需要承受数千伏的高压,而硅基晶体管无法在这种环境中正常运作；对芯片半导体来说,硅的问题是人的工艺好到硅的能力已经快要被开发到极限了,现在,世界上最先进的硅基晶体管制程已经到了3纳米，但是硅基晶体管的制程到3纳米后就很难更小了,因为尺寸变小会带来一系列的问题,他们被称为短沟道效应,简单来说,短沟道效应就是因为沟道太短导致沟道里面多个方向的电场相互干扰加剧从而使栅极关不严,晶体管就会出现漏电发热等等问题,这部分能耗有时甚至能占到芯片总能耗的一半,最近几年某些手机芯片之所以翻车,跟短沟道效应有很大关系。
对功率半导体来说,
新半导体的带隙要比硅更宽,也就是要大于1.1eV,近几年最火的是氮化钾和碳化硅就都属于宽带隙半导体,在室温下带隙宽度大于2.2eV,氮化镓的带隙高达3.39eV,并且比硅的导热性更好,在高压下的电子迁移速度也更快,这让氮化镓器件的功率更大,能效也更高,现在氮化镓在光电子、5G通信都有应用,但要说最有名的还是在充电领域，手机各种闪充、秒充、极速充,基本上都是靠着氮化镓实现的,而碳化硅呢,它的带隙跟氮化镓差不多,比氮化镓的电子迁移速度更低,但导热性更好,击穿电压更高,所以碳化硅器件主要用在电压更高的场景,比如新能源汽车、风电、高铁等领域。虽然氮化钾和碳化硅性能都很好,但要代替硅也必须回答那个终极拷问,你够便宜吗？目前来说是不够的,相同规格的碳化硅器件,成本是硅基器件的3-5倍左右,而氮化镓因为制造工艺的不成熟更贵，但有硅这个成功案例在前,想必这个难题也会随着时间而得到解决。
对芯片半导体来说，
新半导体需要能解决短沟道效应,让硅晶体管突破尺寸极限。短沟道效应的根源在于沟道过短,导致栅极不牢,要在避开短沟道效应的前提下,缩短栅极长度,理论上要求沟道更薄,而硅的问题就在于它的晶体结构是立体的,这就导致了硅沟道做不到极致薄，那什么样的半导体才能让沟道更薄呢,答案是二维半导体。“硅已经达到极限，”斯坦福大学电气工程教授Krishna Saraswat说。“人们声称摩尔定律已经结束，但在我看来情况并非如此。摩尔定律可以通过进入第三维来继续。为此，你需要二维半导体或类似的东西，”Saraswat说。他与斯坦福大学教授Eric Pop和台积电的H.-S. Philip Wong在 3D 芯片上做研究，由于它们有可能缩小到小尺寸和相对较低的处理温度，二维半导体可以构建在多层中。二维半导体属于一类称为过渡金属二硫属化物的材料。其中，学界最热的二维半导体是一种叫二硫化钼的材料（molybdenumdisulfide），它的沟道能做到非常薄,从而避免短沟道效应,让晶体管进一步缩小。另一个这样的2D材料是二硫化钨（tungsten disulfide），它拥有比MoS2更快的速度。
在功率半导体中,碳化硅和氮化镓已经成为了国家战略的一部分,被写入了我国十四五的产业科技创新相关发展规划当中,而在芯片半导体方面,由于硅的工艺已经发展到极其精密的程度,其他半导体很难在短时间内赶上,所以目前硅还是无可替代的,但人们依然能通过选取更薄的新型沟道材料,比如二硫化钼、二硫化钨、碳纳米管等来进一步缩小制程,总之,不管是未来可期的二维半导体、前途光明的氮化镓和碳化硅，还是以后可能出现的、有能力完全替换掉硅的新半导体,想要替代硅成为下一代半导体材料继承者就必须和当初的硅一样解决价格和制造工艺的问题。
参考资料：
1.《硅的替代者，新型半导体取得突破》，半导体行业观察；
2.《硅快到极限了，哪种新材料能扛起半导体行业的大梁？》，量子位；
3.《硅片：半导体最重要基础材料》，乐晴智库精选；
4.《芯片的材料基石——半导体硅片产业浅析》，华西证券股权专家
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