半导体发展及趋势

1947年12月23日第一块晶体管在贝尔实验室诞生，从此人类步入了飞速发展的电子时代。

1959年首次将集成电路技术推向商用化的飞兆半导体公司，也是曾经孵化出包括英特尔、AMD、美国国家半导体、LSI Logic、VLSI Technology、Intersil、Altera和Xilinx等等业界众多巨擘的飞兆半导体，现在已成为专注于功率和能效的公司；

全球半导体产业正在东移，以台积电为首的晶圆代工将成为全球半导体工艺与产能双双领先的公司；传统的IDM厂商都向轻资厂转变，65nm已鲜有IDM 跟踪，至45nm时除了memory厂商外，仅剩英特尔一家了；AMD在2008年将芯片制造部分剥离出来。

1947年12月23日，贝尔实验室在助听器中展示了人类第一块晶体管，William Shockley被誉为晶体管之父。在随后的10年中，晶体管技术不断进步，包括随后发明的单锗晶硅、生长结型晶体管、接触型硅晶体管和固态晶体管开关等，德州仪器和贝尔实验室分别在1954年推出晶体管收音机和全晶体管计算机，并且，1957年美国第一个轨道卫星“探测者”也首次使用了晶体管技术。这10年间，半导体产业处于最激动人心的“发明时代”。

晶体管的演变

1958年8月，德州仪器的Jack Kilby将分离的晶体管和器件集成到一个锗片上，向人类展示了第一片集成电路；次年，飞兆半导体的Robert Noycy发明了平面工艺技术，使得集成电路可量产化，从此，人类从半导体的“发明时代”进入了“量产时代”。

半导体产业四大趋势

第一大趋势：30年河“西”，30年河“东”。回望晶体管诞生这60年，我们可以明显看到半导体产业明显向东方迁移的趋势，特别是从80年代末开始。1987年台积电这个纯晶圆代工厂的成立，宣告着半导体制造业开始从西方向东方迁移；90年代初，三星成为全球最大的DRAM厂商，随后，再成为全球闪存的最大厂商；90年代中，台湾智原、联发科、联咏等一批IC公司从联电分离出来，吹响了东方IC公司挑战西方IC公司的号角；进入21世纪，中芯国际带动中国大陆代工业成长起来，成为另一个制造中心，并且也带动了中国IC设计业的成长；最后，德州仪器、飞思卡尔、英飞凌、LSI以及ADI等众多传统的IDM厂商转

向轻资产模式，放弃独自建造45nm工厂，而分别与台积电、特许和联电等合作研制，2008年，在集成电路诞生50周年的这一年，这些传统IDM公司的45nm 产品都将亮相，但是，不是在这些IDM自己的工厂生产，而是在以上亚洲的代工厂里生产。

90nm是一个转折点，当台积电等代工厂突破了这个节点后，它们已将先进工艺的大旗从IDM手中接了过来，未来，台湾晶圆代工厂在半导体工艺技术上将领先全球，并且成为全球IC产量最大的基地。虽然英特尔仍主宰着PC产业，并继续IDM模式和领导最先进的工艺，但是，半导体产业的推动力已由PC转向消费电子。展望未来，不论是在应用推动还是在技术创新上东方都将取代西方成为产业的领导着。全球半导体产业将演义30年河“西”，30年河“东”的历史大戏。

第二大趋势：有更多的私募基金加入半导体行业，且IC公司之间的整合加速。

半导体行业将会越来越遵循大者恒大的定律。恩智浦半导体大中华区区域执行官叶昱良指出：“私募基金加入半导体行业是一个趋势，这个趋势源起于IC公司会有愈来愈多的整合需求，基于大者恒大的定论，在IC产业通常也只有前5强才能生存。”

在大者恒大定律的驱动下，会有更多半导体公司的整合。其中最值得期待的是中国台湾与大陆半导体公司之间的整合。因台湾没有具经济规模的市场，故不易培养出可以主导新应用的产品规格的大型OEM，而没有这些有品牌的系统厂商配合时，台湾IC设计公司新产品开发的策略，很自然地大多以跟随者为主。但中国大陆拥有广大的市场及具规模的系统厂商，所以台湾IC设计公司与大陆市场及系统公司合作是未来的趋势

台湾半导体产业已具备成熟的研发技术与完整的上中下游供应链，目前碍于政策，在大陆半导体市场的发展受限，但若海峡两岸的发展限制能有所改善，台湾与大陆IC厂商结合，在中国半导体市场的发展绝对能占重要地位。

促成更多半导体公司整合的另一个重要原因是IP需求，随着半导体产业向高端SoC发展，对IP的需求巨增。但是，对于IP的获得却会越来越难。一些拥

有丰富IP的半导体厂商并不希望将IP授权出去。

因此，中小欧美半导体厂商之间整合也会越来越频繁。和10年前相比，硅谷的公司生态环境发生了很大变化。很多公司相互合并，或者大公司把小公司吃掉，很多公司面临严重的生存危机。公司规模越来越大，但公司数量越来越少，每一个市场最终生存下来不会超过三个公司。

第三大趋势：欧美厂商不再轻易放弃低利润市场。

未来10年，半导体产业会逐渐成为一个成熟的产业，一个微利的产业。半导体产业年增长率会从两位数降到单位数，IC总产量和总销售额会继续增加，但利润率会下降。

在利润率逐渐下降的趋势下，欧美半导体厂商不再轻易放弃低利润的市场。以前欧美日大厂IC的毛利率如果低45%时，他们通常会放弃而渐由台湾IC设计公司取代，他们会转移到更高毛利的新兴应用市场上。但这几年杀手级的产品并不多，那些大厂不再轻易放弃，且会进行各种Cost Down规划，以维持市占率及产品的毛利率，让台湾IC设计公司的竞争愈来愈辛苦。

未来，随着亚洲成为全球的应用创新与消费中心，欧美厂商在该市场将与中国大陆和台湾的众多IC公司争夺一些关键领域，而利润会越来越低。最典型的将是移动多媒体处理器，也称为应用处理器。此外，模拟IC的利润也会越来越低。在模拟IC领域，相对技术门槛正在逐年降低。越来越多的台湾和大陆公司开始涉足这一领域。随着模拟器件市场竞争越来越激烈，传统欧美公司在模拟器件市场上越来越难以维持其竞争力，只能向更高的系统集成度发展。

第四大趋势：分久必合，合久必分。

在2000年前后，众多的半导体厂商从母公司剥离，包括英飞凌、科胜迅、杰尔、NEC、飞思卡尔以及NXP等。但是剥离出来后的独立半导体公司活得并不如预期的好，其中不少是连续多年亏损。最典型的是杰尔，不断出售产品线，最后被被LSI收购。虽然他们有着令人羡慕的技术积累与IP积累，但分离出来后，他们仍严重依赖每公司，在开拓新的大牌OEM客户方面做得并不好。其实，最重要的是，由于SoC向高系统集成发展，在开发大规模的LSI时，仍需要IC 公司与OEM的紧密合作。

瑞萨半导体管理(中国)有限公司CEO山村雅宏表示：“在开发大规模LSI方面，我们认为与大型OEM和服务商合作是一个方向。”瑞萨在开发3G手机芯片时就是与六家公司联合开发的，包括日本最大的电信运营商NTT Docomo和几家手机制造商。很明显，联合开发将带来IP、开发成本以及开发时间的优势。“目前半导体制造商难以独自开发领先的技术。我们必须利用过去的研发资本包括IP、与OEM合作伙伴以及第三方的关系。”

因此，展望未来，大型半导体厂商与OEM会再度整合，但可能是一种松散的组合。合久必分，分久必合，这一远古的名言，用于半导体产业再合适不过。

1947年，美国贝尔实验室发明了半导体点接触式晶体管，从而开创了人类的硅文明时代。

1956年，我国提出“向科学进军”，根据国外发展电子器件的进程，提出了中国也要研究半导体科学，把半导体技术列为国家四大紧急措施之一。中国科学院应用物理所首先举办了半导体器件短期培训班。请回国的半导体专家黄昆、吴锡九、黄敞、林兰英、王守武、成众志等讲授半导体理论、晶体管制造技术和半导体线路。在五所大学――北京大学、复旦大学、吉林大学、厦门大学和南京大学联合在北京大学开办了半导体物理专业，共同培养第一批半导体人才。培养出了第一批著名的教授：北京大学的黄昆、复旦大学的谢希德、吉林大学的高鼎三。1957年毕业的第一批研究生中有中国科学院院士王阳元（北京大学微电子所所长）、工程院院士许居衍（华晶集团中央研究院院长）和电子工业部总工程师俞忠钰（北方华虹设计公司董事长）。

1957年，北京电子管厂通过还原氧化锗，拉出了锗单晶。中国科学院应用物理研究所和二机部十局第十一所开发锗晶体管。当年，中国相继研制出锗点接触二极管和三极管（即晶体管）。

1958年，美国德州仪器公司和仙童公司各自研制发明了半导体集成电路（IC）之后，发展极为迅猛，从SSI（小规模集成电路）起步，经过MSI（中规模集成电路），发展到LSI（大规模集成电路），然后发展到现在的VLSI（超大规模

集成电路）及最近的ULSI（特大规模集成电路），甚至发展到将来的GSI（甚大规模集成电路），届时单片集成电路集成度将超过10亿个元件。

1959年，天津拉制出硅（Si）单晶。

1960年，中科院在北京建立半导体研究所，同年在河北建立工业性专业化研究所――第十三所（河北半导体研究所）。

1962年，天津拉制出砷化镓单晶（GaAs），为研究制备其他化合物半导体打下了基础。

1962年，我国研究制成硅外延工艺，并开始研究采用照相制版，光刻工艺。

1963年，河北省半导体研究所制成硅平面型晶体管。

1964年，河北省半导体研究所研制出硅外延平面型晶体管。

1965年12月，河北半导体研究所召开鉴定会，鉴定了第一批半导体管，并在国内首先鉴定了DTL型（二极管――晶体管逻辑）数字逻辑电路。1966年底，在工厂范围内上海元件五厂鉴定了TTL电路产品。这些小规模双极型数字集成电路主要以与非门为主，还有与非驱动器、与门、或非门、或门、以及与或非电路等。标志着中国已经制成了自己的小规模集成电路。

1968年，组建国营东光电工厂（878厂）、上海无线电十九厂，至1970年建成投产，形成中国IC产业中的“两霸”。

1968年，上海无线电十四厂首家制成PMOS（P型金属－氧化物半导体）电路（MOSIC）。拉开了我国发展MOS电路的序幕，并在七十年代初，永川半导体研究所（现电子第24所）、上无十四厂和北京878厂相继研制成功NMOS电路。之后，又研制成CMOS电路。

七十年代初，IC价高利厚，需求巨大，引起了全国建设IC生产企业的热潮，共有四十多家集成电路工厂建成，四机部所属厂有749厂（永红器材厂）、871（天光集成电路厂）、878（东光电工厂）、4433厂（风光电工厂）和4435厂

（韶光电工厂）等。各省市所建厂主要有：上海元件五厂、上无七厂、上无十四厂、上无十九厂、苏州半导体厂、常州半导体厂、北京半导体器件二厂、三厂、五厂、六厂、天津半导体（一）厂、航天部西安691厂等等。

1972年，中国第一块PMOS型LSI电路在四川永川半导体研究所研制成功。半导体材料的发展历程和应用领域

半导体材料经历几代的发展:

第一代半导体是“元素半导体”，典型如硅基和锗基半导体。其中以硅基半导体技术较成熟，应用也较广，一般用硅基半导体来代替元素半导体的名称。硅基半导体器件的频率只能做到10GHz，硅基半导体集成电路芯片最小设计线宽己经达到0.13μm，到2015年，最小线宽将达到0.07μm。

第二代半导体材料是化合物半导体。化合物半导体是以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）和氮化镓(GaN)等为代表，包括许多其它III-V族化合物半导体。这些化合物中，商业半导体器件中用得最多的是砷化镓（GaAs）和磷砷化镓（GaAsP），磷化铟（InP），砷铝化镓（GaAlAs）和磷镓化铟（InGaP）。其中以砷化镓技术较成熟，应用也较广。

化合物半导体不同於硅半导体的性质主要有二: 一是化合物半导体的电子

迁移率较硅半导体快许多，因此适用于高频传输，在无线电通讯如手机、基地台、无线区域网络、卫星通讯、卫星定位等皆有应用；二是化合物半导体具有直接带隙，这是和硅半导体所不同的，因此化合物半导体可适用发光领域，如发光二极管(LED)、激光二极管(LD)、光接收器(PIN)及太阳能电池等产品。可用于制造超高速集成电路、微波器件、激光器、光电以及抗辐射、耐高温等器件，对国防、航天和高技术研究具有重要意义。

目前化合物半导体器件工作频率已经达到100GHz，线宽达到亚微米，并带动了异质结技术的发展，使之成为微波/毫米波的主流。通过进一步的努力，化合物半导体器件的工作频率将可以得到进一步提高。

通过反应炉的应用和高度的自动化，实现了外延工艺的改进，从而提高了化合物半导体的产量和经济效益。

化合物半导体产业在当前主要是指砷化镓（族）外延磊晶片生长和IC芯片集成，氮化镓（族）半导体照明LED和砷化镓（族）光储存LD外延磊晶片生长、芯片制作以及封装、模块的生产运营，同时还包括与之相关的广泛的应用产业。

磊晶、芯片是化合物半导体产品的上游产业，主要是采用MBE和MOCVD 技术生长的化合物半导体外延片，和经过制作而成的芯片。

器件是化合物半导体产品的中游产业，典型产品包括激光二极管、半导体发光二极管、探测器件、微波器件、开关元件、功率器件等等，器件封装和组装是关键技术。

应用模块与整机是化合物半导体产品的下游产业，典型产品包括光收发模块、微波通信产品、半导体照明产品、光存储产品、光显示产品等等。

当前化合物半导体产业的发展主要体现在六个方面：

第一、半导体照明技术的迅猛发展。

基于半导体发光二极管(LED) 的半导体光源具有体积小、发热量低、耗电量小、寿命长、反应速度快、环保、耐冲击不易破、废弃物可回收，没有污染，可平面封装、易开发成轻薄短小产品等优点，具有重大的经济技术价值和市场前景。特别是基于LED 的半导体照明产品具有高效节能、绿色环保优点，在全球能源资源相当有限和保护环境可持续发展的双重背景下，将在世界范围内引发一场划时代的照明革命，成为继白炽灯，荧光灯之后的新一代电光源，进入到千家万户。目前LED已广泛用于大屏幕显示、交通信号灯、手机背光源等，开始应

用于城市夜景美化亮化、景观灯、地灯、手电筒、指示牌等，随着单个LED亮

度和发光效率的提高，即将进入普通室内照明、台灯、笔记本电脑背光源、LCD 显示器背光源等，因而具有广阔的应用前景和巨大的商机。2001年，白光二极

管的使用量有2亿个，2002年有6亿个的使用量，2003年急速扩大到12亿个，从2004年开始，还会有更为可观的市场规模突破。

第二、消费类光电子，光存贮、数字电视以及全球家用电子产品装备无线控制和数据连接的比例越来越高，音视频装置日益无线化。

消费类光电子，光存贮、数字电视以及全球家用电子产品装备无线控制和数据连接的比例越来越高，音视频装置日益无线化。再加上笔记本电脑的普及，这类产品的市场为化合物半导体产品的应用带来了庞大的新市场。

第三、汽车光电子市场，目前汽车防撞雷达己在很多高档车上得到了实用，将来肯定会越来越普及。

汽车光电子市场，目前汽车防撞雷达己在很多高档车上得到了实用，将来肯定会越来越普及。由于汽车防撞雷达一般工作在毫米波段，所以肯定离不开砷化镓甚至磷化铟，它的中频部分才会用到锗硅，由于全球汽车工业十分庞大，所以这是一个早晚必定会发生的巨大市场。

第四、新一代光纤通信技术。

新一代的40Gbps光通信设备不久肯定会开始装备，4OGbps的光通信设备会代替25Gbps设备投入大量使用。而这些设备中将大量使用磷化铟、砷化镓、锗硅等化合物半导体集成电路。

第五、移动通信技术正在不断朝有利于化合物半导体产品的方向发展。

移动通信技术正在不断朝有利于化合物半导体产品的方向发展。目前二代半(25G) 技术成为移动通信技术的主流，同时正在逐渐向第三代(3G) 过渡。由于二代半技术对功放的效率和散热有更高的要求，所以这对砷化镓器件有利。3G 技术要求更高的工作频率，更宽的带宽和高线性，这也是对砷化镓和锗硅技术有利的。目前第四代(4G)的概念己明确提出来了。4G技术对手机有更高要求。它要求手机在楼内可接入无线局域网(WLAN)，即可工作到2.4GHz和5.8GHz，在

室外可在二代、二代半、三代等任意制式下工作。因此这是一种多功能、多频段、多模式的移动终端。从系统小巧来说，当然会希望实现单芯片集成(SOC)，但单一的硅技术无法在那么多功能和模式上都达到性能最优。要把各种优化性能的功能集成在一起，只能用系统级封装(SIP)，即在同一封装中用硅、锗硅、砷化镓等不同工艺来优化实现不同功能，这就为砷化镓的不断发挥优势带来了新的发展前景。

第六、军用光电子

下图是化合物半导体器件在手机上的应用示意图:

尽管有这么多的优点，砷化镓也不会取代硅成为主流的半导体材料。其原因在于性能和制造难度之间的权衡。虽然砷化镓电路非常快，但是大多数的电子产品不需要那么快的速度。在性能方面，砷化镓如同锗一样没有天然的氧化物。为了补偿，必须在砷化镓上淀积多层绝缘体。这样就会导致更长的工艺时间和更低的产量。而且在砷化镓中半数的原子是砷，对人类是很危险的。不幸的是，在正常的工艺温度下砷会蒸发，这就额外需要抑制层或者加压的工艺反应室。这些步骤延长了工艺时间，增加了成本。在晶体生长阶段蒸发也会发生，导致晶体和晶圆不平整。这种不均匀性造成晶圆在工艺中容易折断，而且也导致了大直径的砷化镓生产比硅落后。

尽管有这些问题，砷化镓仍是一种重要的半导体材料，其应用也将继续增多，而且在未来对计算机的性能可能有很大影响。