半导体
(电子科技材料)
半导体( semiconductor),指常温下导电性能介于导体(conductor)与绝缘体(insulator)之间的材料。半导体在收音机、电视机以及测温上有着广泛的应用。如二极管就是采用半导体制作的器件。半导体是指一种导电性可受控制,范围可从绝缘体至导体之间的材料。无论从科技或是经济发展的角度来看,半导体的重要性都是非常巨大的。今日大部分的电子产品,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连。常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等,而硅更是各种半导体材料中,在商业应用上最具有影响力的一种。
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决定摩尔定律的最关键设备
1965年Intel公司创始人之一戈登·摩尔曾提出著名的摩尔定律:当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件的数目,约每隔18-24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。
数十年来这个定律一直有效,可左右它的却不是我们耳熟能详的Intel或AMD等半导体巨头,而是一家外行人并不知名光刻机设备公司
。
目前全球绝大多数半导体生产厂商都需要排着队向它购买最新型的光刻机才能将自己的制程提高到最先进的水平。
一台最先进的EUV光刻机价格至少1亿欧元,而且还有市无价。
在半导体制程上,中国之所以一直落后于世界先进水平,最主要是因为西方的瓦森纳协定禁止
将最先进的光刻机出口到中国。
FinFET,当今半导体行业最主流的技术
在现在的半导体行业当中,无论台积电、三星还是英特尔,都将FinFET技术作为最主要的技术进行半导体生产。
胡正明,当今半导体行业第一人
胡正明,因为发明了现在半导体行业最主流的2个技术方向,FinFET和FD-SOI,而被认为是半导体行业的第一人,甚至还因为发明了FinFET而在2015年获得了美国国家技术创新奖。
当今世界最主流的半导体工艺技术,是为摩尔定律续命的最佳方案
这是一种半导体晶体管设计方案,也是决定半导体工艺制程的技术方案,名叫鳍式场效应晶体管,英文缩写
。
这项设计的提出者为华人科学家胡正明教授,他在1998-2004年发表了一系列关于这项设计的论文,其目的是为了接替当时即将到达极限20nm的Bulk CMOS物理结构,为摩尔定律续命。
这项设计几乎是现在主流的半导体制造商普遍选择的技术方案,除了从AMD中被剥离出来的格罗方德选择了另一个替代方案,也是由胡正明教授提出的FD-SOI晶体管技术。
不过,这项半导体工艺技术的极限大概是在5-7nm,而台积电早在2020年年初就已经开始量产5nm芯片了,也就是说这种设计也已经到达了它的极限。
现在,世界的各大半导体制造公司正在将工艺技术转向另一项工艺技术,这又是后话了。
半导体行业最早的商业模式,被台积电打破,但华为后悔没有采用
这是半导体行业中最早的一种运作模式,名为“垂直整合制造”,英文缩写“
”。
这种模式最大的特点就是半导体公司集芯片设计、芯片制造、芯片封装和测试等多个产业链环节于一身。在20世纪七八十年代,早期的多数集成电路企业都是采用这一模式运作的。
这种模式最大的优势是,能对设计、制造等环节协同优化,有助于充分发掘技术潜力,能有条件率先实验并推行新的半导体技术。
不过,与此同时,它也有其显著的缺点,比如:公司规模庞大,管理成本较高;运营费用较高,资本回报率偏低。目前,仅有极少数企业能够维持这种运作模式,代表性企业有三星、英特尔和德州仪器等。
美国著名半导体公司AMD也曾采用这种运作模式,但因为自己的芯片制造技术一直落后于竞争对手英特尔,导致出产的芯片在市场上一直处于竞争劣势,最终不得不剥离芯片制造环节,将芯片制造外包给台积电代工,这才扭转了自己的竞争颓势。可以说,这种模式即便是世界顶级公司也很容易玩脱。
在半导体行业,首先对这种模式发起挑战的就是台湾著名的半导体代工厂商台积电。当年,台积电创始人张仲谋在看到这种模式的缺点之后,开创性地创建了Foundry(代工厂)模式半导体制造工厂,专门为那些没有能力建立自己的半导体制造工厂的芯片设计公司代工制造,一举打破了这种模式在半导体行业占主流的局面。
不过,在正常情况下,这种模式确实有非常多的缺点,但它还有一个好处就是半导体制造不会被别人掐住。2020年,华为就因为被美国制裁,台积电不能为它代工海思芯片,最终导致自己设计的芯片没人敢接单生产。后来,华为就曾表示,他们后悔没有采用这种模式,才导致了现在的这种局面。
半导体生产最核心的设备,超级电老虎
这是半导体制造公司生产芯片过程中必不可少的一种设备,是决定半导体生产工艺制程最核心的设备。
目前,国际上能够生产这类设备的公司主要有荷兰的ASML和日本的尼康、佳能,还有中国的上海微电子。在这4家公司当中,ASML凭借着自家的EUV占据了绝对的高端,日本的尼康和佳能则多年难有进步,停留在中端,而上海微电子则只能生产部分的低端设备。
这种设备产量极低,但价格高昂,而且保养极端讲究。以当今世界最先进的EUV为例,2019年年产量也就才26台,每台售价1.2亿美元,机器即便在不工作的时候也必须确保环境恒温、恒湿、无振动。为了防止地震带来的振动影响,放置机器的工厂还必须采用特殊的避震设计。
这种设备是个超级电老虎,一台机器的用电量就几乎相当于一个小城市,而能量的利用率却低到令人发指。同样以EUV为例,其工作输出功率大概是250瓦,但输入功率却高达 125万瓦,能量利用率只有0.02%,这还不包括配备的辅助冷却系统耗电量。
这就是
。
半导体制造的次时代技术,台积电和三星正在积极开发
这是一种半导体晶体管设计与技术方案,它的英文缩写为
,中文译名环绕式栅极技术,是现在半导体工艺制程进入5nm之后主流方案鳍式场效应晶体管失效后为摩尔定律续命的最佳替代方案。
与上一代鳍式场效应晶体管的革命性设计不同,它只是一种鳍式场效应晶体管设计方案的改进版,所以也很难确定它的极限,一般认为可以支持3nm工艺,但很难突破1nm。
这项技术的特点是实现了栅极对沟道的四面包裹,源极和漏极不再像前代技术一样直接和基底接触,而是利用线状或者平板状、片状等多个源极和漏极横向垂直于栅极分布后,实现晶体管的基本结构和功能。
目前,世界上最先进的2大半导体制造商三星和台积电因为制程领先,已在积极开发相关的制程工艺技术,据传2022年能够实现量产。
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