半导体产业链之单晶硅片行业深度研究

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近期，硅片尺寸之争再起，硅片龙头隆基股份推出 M6 大硅片产品，并同时发布大硅片组件 Hi-MO4，清楚 表明了力推 M6 的意愿。那么 历史 上硅片尺寸经历过怎样的变化过程?隆基为何要力推 M6?与另一尺寸路线 158.75 方单晶相比，M6 有何优势，二者谁将胜出?M6 之后，是否会有更大尺寸的硅片产品推出?本报告试图 解答这些问题。

光伏硅片尺寸源自半导体，经历了从 125 到 156，从 M0 到 M2 这一不断增大的过程。 光伏硅片尺寸标准源 自半导体硅片，在摊薄成本和提高品质这两大需求的推动下，半导体硅片尺寸不断增大，光伏硅片也随之经历 了从小到大的过程。近年来，光伏硅片尺寸经历了 3 次较大的变革:1)1981 至 2012之间，硅片边距由 100 和 125 大幅度增大为156，成本大幅摊薄2)2013 至 2017年，硅片规格从 M0(边距 156，直径 200)变革为 M1 (边距 156.75，直径 205)与 M2(边距 156.75，直径 210)，组件尺寸不变，硅片尺寸增大，从而摊薄成本3) 目前正在进行中的变革是硅片规格从 M2 变革为 158.75 方单晶或者M6大硅片，这次变革增厚了产业链各环节 利润空间，并将硅片尺寸推至当前设备允许的极限。

增大硅片尺寸的驱动力是提高溢价、摊薄成本、拓展利润空间，在这些方面上 M6 比 158.75 方单晶更有优 势。 在电站建设中，使用大硅片高功率组件可以减少支架、汇流箱、电缆等成本，从而摊薄单瓦系统成本，为 组件带来溢价在组件售价端，158.75 方单晶可溢价 2 分钱，M6 可溢价 8 分钱。在制造成本端，大硅片本身可 以摊薄硅片、电池、组件生产环节的非硅成本，从而直接增厚各环节利润在硅片、电池、组件总成本方面: 158.75 方单晶可降低 2 分钱，M6 可降低 5 分钱。因而，总的来看，158.75 方单晶的超额利润为 4 分钱，M6 超 额利润为 13 分钱，M6 的空间更大。在目前的价格水平下，158.75 方单晶所获超额利润基本留在了硅片环节， 而 M6 大部分超额利润流向了组件环节。推广 M6 硅片的原动力在于增厚产业链各环节利润。在定价方面，我 们认为 M6 定价紧跟 M2 即可始终保持竞争优势，使得各环节的摊薄成本内化为本环节的利润，从而使各环节 毛利率均有提高。

M6已达部分设备允许尺寸的极限，短时间内硅片尺寸标准难以再提高。 增大硅片尺寸的限制在于现有设 备的兼容性。通过梳理拉棒切片、电池、组件三个环节用到的主要生产设备，我们发现现有主流设备可以兼容M6硅片，但这一规格已基本达到现有设备允许的尺寸上限，继续增大硅片尺寸则需重新购置部分设备，使得增 大尺寸带来的成本下降被新购设备带来的成本上升所抵消。因而短时间内硅片尺寸标准难以再提高，M6 将在相 当长的一段时间内成为标准上限。

硅片形状分类:方形和准方形

从形状来看，硅片可以分为方形硅片和准方形硅片两大类。方型硅片并非完全正方，而是在四角处也有小 倒角存在，倒角长度 B一般为 2 mm 左右。准方形硅片四角处为圆倒角，尺寸一般比方型硅片的倒角大很多， 在外观上比较明显。

硅片的关键尺寸:边距

对方形硅片来说，因为倒角长度变化不大，所以描述其尺寸的关键在于边距 A。 对准方形硅片来说，由于其制作过程为圆棒切方然后切片，倒角为自然形成，因而其关键尺寸是边距 A 与直径 D。

尺寸标准:源自半导体硅片

光伏硅片与半导体硅片技术本身极为相似，半导体产业规模化发展早于光伏，因而早期光伏硅片尺寸标准 主要源自半导体硅片行业。

半导体硅片尺寸经历了从小到大的过程。60 年代出现了 0.75 英寸的单晶硅片1965 年左右开始出现少量 的 1.5 英寸硅片1975 年左右出现 4 英寸硅片1980 年左右出现 6 寸片1990 年左右出现 8 寸片2000 年左 右出现 12 寸片预计 2020 年左右 18 寸片将开始投入使用。

半导体硅片尺寸不断增大的根本驱动力有两条:1)摊薄成本2)提高品质。硅片尺寸越大，在制成的每 块晶圆上就能切出更多芯片，从而明显摊薄了单位成本。同时随着尺寸的增大，边缘片占比将减少，更多芯片 来自于非边缘区，从而产品质量得到提高。

近年来光伏硅片尺寸经历了3 次变革

光伏硅片尺寸标准的权威是 SEMI(国际半导体产业协会)。跟踪其标准发布 历史 ，可以发现近年来光伏硅片尺寸经历了 3 次主要的变革:

1) 由 100 和 125 大幅度增大为 156此阶段为 1981 至 2012 之间。以 2000 年修改版后的标准 SEMI M6-1000 为例，类原片有 100/125/150 三个尺寸，对应的边距均值分别为 100/125/150 mm，直径分别为 125/150/175 mm，即严格按照半导体硅片尺寸来给定。2012 年，原 SEMI M6 标准被废止，新的 SEMI PV22 标准开始生效，边距 156 被加入到最新标准中

2) 由 156(M0)小幅调整至 156.75(M2)在标准方面，通过修订，新增的 M2 标准尺寸被纳入 SEMI 标 准范围内，获得了业界的认可

3)由 156.75(M2)小幅调整至 158.75 或者大幅增大为 166。此次变革尚在进行中。

第一次尺寸变革:125 到 156

2012 年前，光伏硅片尺寸更多地沿用半导体 6 寸片的规格，但由于电池生产设备的进步和产出量提升的需求，125 mm 硅片逐步被市场淘汰了，产品大多集中到156 mm 上。

从面积上来看，从 125 mm 硅片过渡到 156 mm，使硅片面积增大 50%以上，大大提高了单个组件产品功率，提高了资源开发与利用效率。

相比边距，当时直径的规格较多。边距 125 对应直径 164 mm 为主流，边距 156 对应直径 200 为主流(M0)。

第二次尺寸变革:M0 到 M1 再到 M2

第二次尺寸变革主要是指从 M0(边距 156 mm，直径 200 mm)变革为 M1(边距 156.75 mm，直径 205 mm) 与 M2(边距 156.75 mm，直径 210 mm)。这一变革在组件尺寸不变的情况下增大了硅片面积，从而提高了组件 封装效率。硅片面积的提升主要来自两个方面:1)边距增大使硅片面积增大，主要得益于设备精度不断提高， 可以增大硅片边距、减小组件排版时电池间的冗余留白2)圆角尺寸减小使硅片面积增大，主要得益于拉棒成 本的不断降低，可使用更大直径的硅棒以减小圆角尺寸。

这一变革由中国硅片企业推动，并在 2017 年得到 SEMI 审核通过，成为行业统一的尺寸。2013 年底，隆基、 中环、晶龙、阳光能源、卡姆丹克 5 家企业联合发布 M1 与 M2 硅片标准，在不改变组件尺寸的前提下，M2 通 过提升硅片面积使组件功率提升一档，因而迅速成为行业主流尺寸。

设备无需更改，1 年时间完成切换。此次尺寸改动较小，设备无需做大更改即可生产 M2 硅片，因而切换时 间较短。以隆基为例，在其 2015 年出货产品中，M1 硅片占比 80%，M2 占比仅为 20%2016 年 M2 占比已达 98%2017 年已完全不再生产 M0 与 M1 硅片。

第三次尺寸变革:从 M2 到 M6

M2 尺寸标准并未持续很长时间。由于市场对高功率组件的需求高涨，而已建成的电池产线通过提高效率来 提升功率相对较难，相比之下通过增大电池面积来满足更高的组件功率需求成为了部分厂商的应对之策，使得 硅片尺寸出现了 157.0、157.3、157.5、157.75、158.0 等多样化规格，给产业链的组织管理带来极大的不便。

在此情况下，业内再次考虑尺寸标准化问题，并出现了两种标准化方案:1)158.75 全方片。这一方案在不 改变现有主流组件尺寸的情况下将硅片边距增加到极限 158.75 mm，同时使用方形硅片，以减小倒角处的留白， 从而使得硅片面积增加 3%，对应 60 型组件功率提升约 10W2)166 大硅片(M6)。这一方案是当前主流生产 设备所允许的极限尺寸，统一到这一尺寸后业内企业难以再通过微调尺寸来提升功率，从而使得此方案的持久 性潜力更大。与 M2 硅片相比，其面积增益为 12%，对应 60 型组件功率提升约 40W。

使用大硅片的驱动力有以下两点:

1)在电站建设中，使用大硅片高功率组件可以减少支架、汇流箱、电缆等成本，从而摊薄单瓦系统成本， 为组件带来溢价

2)在制造端，大硅片本身可以摊薄硅片、电池、组件生产环节的非硅成本，从而直接增厚各环节利润

组件售价:158.75 可溢价 2 分钱，M6 可溢价 8 分钱

电站的系统成本由组件成本和非组件成本构成，其中非组件成本可以分为两大类:1)与组件个数相关的成 本，主要包括支架、汇流箱、电缆、桩基和支架安装成本等2)与组件个数无关的成本，主要包括逆变器和变 压器等电气设备、并网接入成本、管理费用等，这部分一般与电站容量相关。在电站容量一定的情况下，组件 个数取决于单个组件功率，因而组件个数相关成本也可叫组件功率相关成本。

对于尺寸、重量相近的光伏组件，在其设计允许范围内，支架、汇流箱、电缆等设备与材料的选型可不做 更改。因而对于单个组串，使用 M2、158.75 全方片和 M6 三种组件的成本相同，由此平摊至单瓦则其组件个数 相关的成本被摊薄，158.75 全方片比 M2 便宜 2 分钱，M6 比 M2 便宜 8 分钱。因此在组件售价端，158.75 全方 片的组件最多可比 M2 的组件溢价 2 分钱，M6 的组件最多可比 M2 的组件溢价 8 分钱。在前期推广阶段，组件 厂可能将此部分溢价让利给下游电站，以推动下游客户偏好转向 M6 硅片。

组件成本:158.75 可摊薄 2 分钱，M6 可摊薄 5 分钱

在总成本方面，158.75 方单晶比 M2 低 2 分钱，M6 比 M2 低 5 分钱。这一成本降低是制造端产业链推广 M6 源动力，也是推广 M6 为产业链增厚的利润空间。拆分到各环节来看: 1)硅片单瓦成本方面，158.75 方单晶硅片比 M2 硅片低 0.1 分钱，M6 硅片比 M2 硅片低 1.6 分钱2)电池成本方面，158.75 方单晶比 M2 低 0.3 分钱，M6 比 M2 低 0.9 分钱3)组件成本方面，158.75 方单晶比 M2 低 1.5 分钱，M6 比 M2 低 2.3 分钱。

硅片成本测算

硅片成本可拆分为硅成本、非硅成本、三费。其中:

1)硅成本与方棒面积成正比，即 M6 比 M2 贵 12%(0.122 元/片)，158.75 比 M2 贵 3%(0.031 元/片)

2)非硅成本中，在拉棒成本方面，圆棒直径变粗使得拉棒速度降低幅度小于圆棒面积增大幅度，最终 M6 比 M2 便宜 6.7%(2.38 元/kg)158.75 方单晶切方剩余率较低，最终使其比 M2 贵 1.5%(0.53 元/kg)。切片成 本大致与方棒面积成正比，最终使得 M6 非硅成本比 M2 贵 7.2%(0.066 元/片)，158.75 比 M2 贵 3.8%(0.036 元/片)

3)三费均以0.40元/片计。

综合来看，在单片成本方面，M6 比 M2 贵 8.1%(0.188 元/片)，158.75 比 M2 贵2.9%(0.066 元/片)平摊到单瓦成本，M6 比M2便宜 0.016 元/W，158.75 与 M2 基本持平。

非硅成本由拉棒成本和切片成本两部分组成。在单位重量拉棒成本方面，直径越大则单位重量长晶速度越快，因而M6 比 M2 便宜方单晶切方剩余率低，因而 158.75 方单晶比 M2 贵。

电池成本测算

置成本、非硅成本、三费。其中: 1)硅片购置成本与硅片定价策略有关，这里以 2019-6-20 价格为例，M2/158.75 方单晶/M6 三种硅片含税价格分别为 3.07/3.47/3.47元/片，摊薄到单瓦后，M6 与 M2 相近，158.75 比 M2 贵 0.049 元/W2)非硅成本方面，M6 比 M2 降 0.009 元/W，158.75 比 M2 便宜 0.002 元/W3)三费均假设为 0.10 元/W。

综合来看，电池环节的附加成本变化不大。

具体来看，在非硅成本中，银浆、铝浆、TMA 等的用量与电池面积相关，最终单瓦成本不变折旧、人工 等与容量产能相关的成本会被摊薄。

组件成本测算

组件成本可拆分为电池购置成本、非硅成本、三费。其中:

1)电池购置成本与电池定价策略有关，目前 M2/158.75 方单晶两种电池含税价格为 1.20/1.24 元/W，M6 电池尚无公开报价，考虑到目前 M6 与 M2 硅片单瓦定价相同，且电池成本变化不大，因而假设定价与 M2 相同

2)非硅成本方面，M6 比 M2 便宜 0.024 元/W，158.75 比 M2 便宜 0.015 元/W

3)三费均假设为 0.20 元/W。

综合来看，电池环节的附加成本降低幅度大于电池环节，但依然变化不大。

具体来看，在非硅成本中，EVA、背板、光伏玻璃等主要组成部分随本来就以面积计价，但 M6 与 158.75 产品提高了面积利用率，成本会有小幅摊薄同时产线的产能节拍不变，但容量产能增加。从而接线盒、折旧、 人工等成本会被摊薄。

各环节利润分配:158.75 超额利润在硅片，M6 超额利润在电池和组件

158.75 超额利润 4 分钱，M6 超额利润 13 分钱，M6 利润空间比 158.75 方单晶大约高 4 个百分点。在组件 售价端，158.75 可溢价 2 分钱，M6 可溢价 8 分钱在成本端，158.75 可降低 2 分钱，M6 可降低 5 分钱，因而 158.75 超额利润为 4 分钱，M6 超额利润为 13 分钱。在所有环节均自产的情况下，158.75 可提高净利率 1.7 个 百分点，M6 可提高净利率 5.2 个百分点。

在利润分配方面，在目前的价格水平下，158.75 方单晶所获超额利润基本留在了硅片环节。M6 电池和组件 尚无公开报价，按照假设电池售价 1.20 元/W、组件售价 2.28 元/W 来计算，超额利润在硅片/电池/组件环节的 分配大致为 0.02/0.01/0.10 元/W，大部分超额利润流向了组件环节。

推广 M6 硅片的原动力在于增厚产业链各环节利润。由于目前硅片尺寸的另一选择是158.75，所以推广 M6 需要在产业链各环节利润空间上同时大于 M2 和 158.75 方单晶。

静态情景:M6 组件定价与 M2 相同，让利下游电站，推动渗透率提升

最直接的推广方式是将 M6 组件价格设定为与 M2 相同，从而将电站端的系统成本摊薄让利给下游电站， 快速提升下游电站对 M6 组件的认可度。

目前 M2 组件价格为 2.20 元/W，若 M6 组件价格同样定为 2.20 元/W，则相应的 M6 电池价格需要下调为 1.20 元/W，与 M2 电池价格相同，以保证组件环节 M6 净利率大于 M2硅片价格可以维持 3.47 元/片不变，此 时电池净利率可保持在 18.3%，依旧高于 M2 电池的净利率 17.8%。在此情境下，M6 各环节净利率均超过 M2， 有利于 M6 推广。

与 158.75 方单晶相比，此时 M6 各环节超额利润为 5 分钱，而 158.75 方单晶超额利润为 4 分钱，M6 更有 优势。具体到各环节来看，M6 硅片环节净利率稍低，但电池和组件环节净利率高，更有利于全产业链共同发展。

动态情景:M6 定价紧跟 M2 即可始终保持竞争优势

在组件价格方面，M6 与 M2 定价保持一致，即可使 M6 组件保持在下游电站选型中的竞争优势。

在电池价格方面，M6 与 M2 定价保持一致，则可使组件环节的成本摊薄沉淀为组件环节的利润，使得对下 游组件厂来说生产 M6 组件时的毛利率始终高于 M2，因而 M6 组件更有吸引力。

在硅片价格方面，保持 M6 与 M2 单位面积的价格相同，则可使电池环节的成本摊薄沉淀为电池环节的利润，使得对电池厂来说生产M6 电池时的毛利率始终高于 M2，因而 M6 电池更有吸引力。

对硅片环节来说，保持 M6 与 M2 单位面积的价格相同则 M6 净利率比 M2 高 4 个点，硅片环节亦有推广动 力。这也为后续继续降价让利给电池、组件、电站留出了更多空间。

增大硅片尺寸的限制在于现有设备的兼容性。通过梳理拉棒切片、电池、组件三个环节用到的主要生产设 备，我们发现现有主流设备可以兼容 M6 硅片，但这一规格已基本达到现有设备允许的尺寸上限，继续增大硅 片尺寸则需重新购置部分设备，使得增大尺寸带来的成本下降被新购设备带来的成本上升所抵消。

拉棒与切片环节:单晶炉等关键设备裕度大，部分设备接近尺寸上限

在拉棒与切片环节，生产工艺主要分为拉棒、切方、切片三步，分别用到了单晶炉、截断机与开方机、切 片机等 4 种设备。总的来看，对于 M6 硅片来说，单晶炉与开方机尺寸尚有较大余量，截断机已接近部分厂家 设备尺寸的上限。

单晶炉:热屏尺寸尚有较大余量。当前主流单晶厂家热屏内径均留有较大余量。M2 硅片外径为 210 mm， 对应的圆棒直径为 214 mm 左右M6 硅片外径为 223 mm，对应的圆棒直径为 228 mm。当前主流单晶炉热屏内 径在 270 mm 左右，拉制直径 228 mm 硅棒完全可行，且无须重大改造。

截断机:M6 尺寸在目前设备加工规格范围内，但已接近设备加工规格上限。切断机用于将硅棒切成小段， 其加工规格较难调整。以连城数控官网提供的多线切断机主要参数来看，其适用的单晶硅棒直径为 155-230 mm。 而 M6 硅片对应的圆棒直径是 228 mm，在该设备加工规格范围内，已接近设备加工规格上限。

开方机:加工尺寸裕度较大。开方机用于将圆棒切成方棒。以高测股份单棒四线开方机为例，其切割棒料 直径为 200-300 mm，开方尺寸为 157-210 mm。M6 硅片对应的方棒直径为 223 mm，开方尺寸为 166 mm，现有 设备裕度较大。

电池环节:扩散炉内径最关键，目前可满足要求

目前主流 PERC 电池的生产工艺分为清洗制绒、扩散、刻蚀、镀膜、激光刻划、印刷栅线、烧结等工序，涉 及的关键设备有扩散炉、PECVD、激光刻槽机、丝网印刷机、烧结炉等。其中扩散炉、PECVD、烧结炉等管式加 热或真空设备尺寸难以调整，因而是硅片加大尺寸的瓶颈环节。若硅片尺寸超出现有设备极限，则只能购置新 设备，成本较高。目前常见的管式设备内径最小 290 mm。

扩散炉:圆棒直径需小于扩散炉炉管直径。在扩散工序中，一般使用石英舟承载硅片，然后将石英舟放置 于扩散炉炉管中。在扩散炉中，硅片轴线方向一般与扩散炉轴线方向平行，因而硅片尺寸需在扩散炉炉管截面 之内，即硅棒的圆棒直径需小于扩散炉炉管直径，且需要留有一定的 *** 作空间。将硅片边距由 156.75 mm 提高 到 166 mm 的同时，硅片外径将由 210 mm 增大到 223 mm，对于内径 290 mm 的扩散炉来说尚可行。在石英舟 方面，其尺寸经过合理设计一般可以满足M6 硅片进出炉体的要求。

PECVD:硅片边距需小于 PECVD 炉管内径。PECVD 与扩散炉的情况有以下两点不同:1)在 PECVD 中，使 用石墨舟装载硅片2)硅片轴线与 PECVD 炉管轴线垂直放置，因而只需硅片边距小于 PECVD 炉管内径即可。 为了提高 PECVD 产能，炉管内径一般较大，以叠放更多硅片。将硅片边距由 156.75 mm 提高到 166 mm 对于内 径 450 mm 的 PECVD 来说无障碍。

丝网印刷机:M6 硅片可兼容。丝网印刷机的传输系统、旋转平台、刮刀头、视觉系统均与硅片尺寸相关。

以科隆威为例，其官网挂出的唯一一款全自动视觉印刷机PV-SP910D 可兼容 M6 硅片。

组件环节:排版串焊与层压设备均近极限

组件环节主要分为排版串焊、叠层、层压、装框、装接线盒、固化清洗、测试包装等工序，主要需要用到 排版机、串焊机、层压机等设备。

排版串焊:可兼容，问题不大。排版串焊机的关键尺寸是组件长和宽，若组件尺寸在设备允许范围内，则 只需更改设置即可适用于大硅片组件若超出设备允许的最大组件尺寸，则很难通过小技改来兼容。以金辰的 高速电池串自动敷设机为例，其适用玻璃组件范围为长 1580-2200 mm、宽 800-1100 mm。预计使用 M6 硅片的 72 型组件长 2120 mm、宽 1052 mm，在排版串焊设备允许范围内。

层压:层压机尺寸已达极限。层压机的层压面积较大，一般一次可以处理多个组件。以金辰 JCCY2336-T 层 压机为例，其层压面积为 2300 mm×3600 mm。在使用 M2 硅片时，该层压机一次可处理 4 块 60 型组件，或 3 块 72 型组件。在使用 M6 硅片时，该层压机同样可以一次处理 4 块 60 型组件或 3 块 72 型组件。对于 60 型组 件来说，处理 M2 硅片组件时，该层压机长度方向的余量为 240 mm，较为宽裕但处理M6 硅片组件时，由于 单片电池尺寸增大 9.25 mm，60 型组件长度将加长 92.5mm，层压机长度方向的余量仅剩 55 mm，较为紧张。

辅材尺寸易调整。组件辅材主要包括光伏玻璃、EVA、背板、接线盒等。其中光伏玻璃、EVA、背板目前幅 宽可生产 166 及更大尺寸材料，仅需调整切割尺寸即可。接线盒不涉及尺寸问题，仅需考虑组件功率提高后接 线盒内部线缆材料可能需要使用更高等级材料。

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晶体是脆性的，加工过程中会在边缘形成碎石块似的崩碎。如有较大应力加载到晶体的解理方向上，造成的崩碎会很大，破坏中间加工好的表面。加工端面前，应对半导体晶体进行端面边缘的倒角，使得在加工端面时，不容易产生破坏性的崩口。

半导体材料（semiconductor material）是一类具有半导体性能（导电能力介于导体与绝缘体之间，电阻率约在1mΩ·cm～1GΩ·cm范围内）、可用来制作半导体器件和积体电路的电子材料。

基本介绍中文名 ：半导体材料 外文名 ：semiconductor material 分类 ：电子材料 导电能力 ：介于导体与绝缘体之间 电阻率 ：1mΩ·cm～1GΩ·cm 作用 ：可用来制作半导体器件和积体电路 特性 ：半导体电导率随温度的升高而升高 简介,主要种类,新型材料,实际运用,相关材料,特性信息,特性参数,特性要求,材料工艺,套用发展,早期套用,发展现状,战略地位, 简介 自然界的物质、材料按导电能力大小可分为导体、半导体和绝缘体三大类。半导体的电阻率在1mΩ·cm～1GΩ·cm范围（上限按谢嘉奎《电子线路》取值，还有取其1/10或10倍的；因角标不可用，暂用当前描述）。在一般情况下，半导体电导率随温度的升高而升高，这与金属导体恰好相反。 凡具有上述两种特征的材料都可归入半导体材料的范围。反映半导体内在基本性质的却是各种外界因素如光、热、磁、电等作用于半导体而引起的物理效应和现象，这些可统称为半导体材料的半导体性质。构成固态电子器件的基体材料绝大多数是半导体，正是这些半导体材料的各种半导体性质赋予各种不同类型半导体器件以不同的功能和特性。半导体的基本化学特征在于原子间存在饱和的共价键。作为共价键特征的典型是在晶格结构上表现为四面体结构,所以典型的半导体材料具有金刚石或闪锌矿(ZnS)的结构。 由于地球的矿藏多半是化合物，所以最早得到利用的半导体材料都是化合物,例如方铅矿(PbS)很早就用于无线电检波，氧化亚铜(Cu2O)用作固体整流器，闪锌矿(ZnS)是熟知的固体发光材料，碳化矽(SiC)的整流检波作用也较早被利用。硒(Se)是最早发现并被利用的元素半导体，曾是固体整流器和光电池的重要材料。元素半导体锗（Ge）放大作用的发现开辟了半导体历史新的一页，从此电子设备开始实现电晶体化。中国的半导体研究和生产是从1957年首次制备出高纯度(99.999999%～99.9999999%) 的锗开始的。采用元素半导体矽（Si）以后，不仅使电晶体的类型和品种增加、性能提高，而且迎来了大规模和超大规模积体电路的时代。以砷化镓(GaAs)为代表的Ⅲ－Ⅴ族化合物的发现促进了微波器件和光电器件的迅速发展。 半导体材料 主要种类 半导体材料可按化学组成来分，再将结构与性能比较特殊的非晶态与液态半导体单独列为一类。按照这样分类方法可将半导体材料分为元素半导体、无机化合物半导体、有机化合物半导体和非晶态与液态半导体。 元素半导体 　在元素周期表的ⅢA族至IVA族分布著11种具有半导性 的元素，下表的黑框中即这11种元素半导体,其中C表示金刚石。C、P、Se具有绝缘体与半导体两种形态B、Si、Ge、Te具有半导性；Sn、As、Sb具有半导体与金属两种形态。P的熔点与沸点太低,Ⅰ的蒸汽压太高、容易分解，所以它们的实用价值不大。As、Sb、Sn的稳定态是金属，半导体是不稳定的形态。B、C、Te也因制备工艺上的困难和性能方面的局限性而尚未被利用。因此这11种元素半导体中只有Ge、Si、Se 3种元素已得到利用。Ge、Si仍是所有半导体材料中套用最广的两种材料。 半导体材料 无机化合物半导体 　分二元系、三元系、四元系等。 二元系包括：①Ⅳ-Ⅳ族:SiC和Ge-Si合金都具有闪锌矿的结构。②Ⅲ-Ⅴ族:由周期表中Ⅲ族元素Al、Ga、In和V族元素P、As、Sb组成，典型的代表为GaAs。它们都具有闪锌矿结构,它们在套用方面仅次于Ge、Si,有很大的发展前途。③Ⅱ-Ⅵ族:Ⅱ族元素Zn、Cd、Hg和Ⅵ族元素S、Se、Te形成的化合物，是一些重要的光电材料。ZnS、CdTe、HgTe具有闪锌矿结构。④Ⅰ－Ⅶ族：Ⅰ族元素Cu、Ag、Au和 Ⅶ族元素Cl、Br、I形成的化合物，其中CuBr、CuI具有闪锌矿结构。⑤Ⅴ-Ⅵ族：Ⅴ族元素As、Sb、Bi和Ⅵ族元素 S、Se、Te形成的化合物具有的形式,如Bi2Te3、Bi2Se3、Bi2S3、As2Te3等是重要的温差电材料。⑥第四周期中的B族和过渡族元素Cu、 Zn、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni的氧化物,为主要的热敏电阻材料。⑦某些稀土族元素 Sc、Y、Sm、Eu、Yb、Tm与Ⅴ族元素N、As或Ⅵ族元素S、Se、Te形成的化合物。 除这些二元系化合物外还有它们与元素或它们之间的固溶体半导体，例如Si-AlP、Ge-GaAs、InAs-InSb、AlSb-GaSb、InAs-InP、GaAs-GaP等。研究这些固溶体可以在改善单一材料的某些性能或开辟新的套用范围方面起很大作用。 半导体材料 三元系包括：族:这是由一个Ⅱ族和一个Ⅳ族原子去替代Ⅲ－Ⅴ族中两个Ⅲ族原子所构成的。例如ZnSiP2、ZnGeP2、ZnGeAs2、CdGeAs2、CdSnSe2等。族：这是由一个Ⅰ族和一个Ⅲ族原子去替代Ⅱ-Ⅵ族中两个Ⅱ族原子所构成的, 如 CuGaSe2、AgInTe2、 AgTlTe2、CuInSe2、CuAlS2等。：这是由一个Ⅰ族和一个Ⅴ族原子去替代族中两个Ⅲ族原子所组成,如Cu3AsSe4、Ag3AsTe4、Cu3SbS4、Ag3SbSe4等。此外，还有它的结构基本为闪锌矿的四元系（例如Cu2FeSnS4）和更复杂的无机化合物。 有机化合物半导体 　已知的有机半导体有几十种，熟知的有萘、蒽、聚丙烯腈、酞菁和一些芳香族化合物等，它们作为半导体尚未得到套用。 非晶态与液态半导体 　这类半导体与晶态半导体的最大区别是不具有严格周期性排列的晶体结构。 新型材料 其结构稳定，拥有卓越的电学特性，而且成本低廉，可被用于制造现代电子设备中广泛使用的场效应电晶体。 科学家们表示，最新研究有望让人造皮肤、智慧型绷带、柔性显示屏、智慧型挡风玻璃、可穿戴的电子设备和电子墙纸等变成现实。 昂贵的原因主要因为电视机、电脑和手机等电子产品都由矽制成，制造成本很高而碳基(塑胶)有机电子产品不仅制造方便、成本低廉，而且轻便柔韧可弯曲，代表了“电子设备无处不在”这一未来趋势。 以前的研究表明，碳结构越大，其性能越优异。但科学家们一直未曾研究出有效的方法来制造更大的、稳定的、可溶解的碳结构以进行研究，直到此次祖切斯库团队研制出这种新的用于制造电晶体的有机半导体材料。 有机半导体是一种塑胶材料，其拥有的特殊结构让其具有导电性。在现代电子设备中，电路使用电晶体控制不同区域之间的电流。科学家们对新的有机半导体材料进行了研究并探索了其结构与电学属性之间的关系。 实际运用 制备不同的半导体器件对半导体材料有不同的形态要求，包括单晶的切片、磨片、抛光片、薄膜等。半导体材料的不同形态要求对应不同的加工工艺。常用的半导体材料制备工艺有提纯、单晶的制备和薄膜外延生长。 所有的半导体材料都需要对原料进行提纯，要求的纯度在6个“9”以上，最高达11个“9”以上。提纯的方法分两大类，一类是不改变材料的化学组成进行提纯，称为物理提纯；另一类是把元素先变成化合物进行提纯，再将提纯后的化合物还原成元素，称为化学提纯。物理提纯的方法有真空蒸发、区域精制、拉晶提纯等，使用最多的是区域精制。化学提纯的主要方法有电解、络合、萃取、精馏等，使用最多的是精馏。由于每一种方法都有一定的局限性，因此常使用几种提纯方法相结合的工艺流程以获得合格的材料。 半导体材料 绝大多数半导体器件是在单晶片或以单晶片为衬底的外延片上作出的。成批量的半导体单晶都是用熔体生长法制成的。直拉法套用最广，80%的矽单晶、大部分锗单晶和锑化铟单晶是用此法生产的，其中矽单晶的最大直径已达300毫米。在熔体中通入磁场的直拉法称为磁控拉晶法，用此法已生产出高均匀性矽单晶。在坩埚熔体表面加入液体覆盖剂称液封直拉法，用此法拉制砷化镓、磷化镓、磷化铟等分解压较大的单晶。悬浮区熔法的熔体不与容器接触，用此法生长高纯矽单晶。水平区熔法用以生产锗单晶。水平定向结晶法主要用于制备砷化镓单晶，而垂直定向结晶法用于制备碲化镉、砷化镓。用各种方法生产的体单晶再经过晶体定向、滚磨、作参考面、切片、磨片、倒角、抛光、腐蚀、清洗、检测、封装等全部或部分工序以提供相应的晶片。 在单晶衬底上生长单晶薄膜称为外延。外延的方法有气相、液相、固相、分子束外延等。工业生产使用的主要是化学气相外延，其次是液相外延。金属有机化合物气相外延和分子束外延则用于制备量子阱及超晶格等微结构。非晶、微晶、多晶薄膜多在玻璃、陶瓷、金属等衬底上用不同类型的化学气相沉积、磁控溅射等方法制成。 相关材料 单晶制备 为了消除多晶材料中各小晶体之间的晶粒间界对半导体材料特性参量的巨大影响，半导体器件的基体材料一般采用单晶体。单晶制备一般可分大体积单晶(即体单晶)制备和薄膜单晶的制备。体单晶的产量高，利用率高，比较经济。但很多的器件结构要求厚度为微米量级的薄层单晶。由于制备薄层单晶所需的温度较低，往往可以得到质量较好的单晶。具体的制备方法有：①从熔 体中拉制单晶：用与熔体相同材料的小单晶体作为籽晶，当籽晶与熔体接触并向上提拉时，熔体依靠表面张力也被拉出液面，同时结晶出与籽晶具有相同晶体取向的单晶体。②区域熔炼法制备单晶：用一籽晶与半导体锭条在头部熔接，随着熔区的移动则结晶部分即成单晶。③从溶液中再结晶。④从汽相中生长单晶。前两种方法用来生长体单晶，用提拉法已经能制备直径为200毫米,长度为1～2米的锗、矽单晶体。后两种方法主要用来生长薄层单晶。这种薄层单晶的生长一般称外延生长，薄层材料就生长在另一单晶材料上。这另一单晶材料称为衬底，一方面作为薄层材料的附着体，另一方面即为单晶生长所需的籽晶。衬底与外延层可以是同一种材料(同质外延)，也可以是不同材料（异质外延）。采用从溶液中再结晶原理的外延生长方法称液相外延；采用从汽相中生长单晶原理的称汽相外延。液相外延就是将所需的外延层材料(作为溶质，例如GaAs)，溶于某一溶剂（例如液态镓）成饱和溶液，然后将衬底浸入此溶液，逐渐降低其温度，溶质从过饱和溶液中不断析出，在衬底表面结晶出单晶薄层。汽相外延生长可以用包含所需材料为组分的某些化合物气体或蒸汽通过分解或还原等化学反应淀积于衬底上，也可以用所需材料为源材料，然后通过真空蒸发、溅射等物理过程使源材料变为气态，再在衬底上凝聚。分子束外延是一种经过改进的真空蒸发工艺。利用这种方法可以精确控制射向衬底的蒸气速率，能获得厚度只有几个原子厚的超薄单晶，并可得到不同材料不同厚度的互相交叠的多层外延材料。非晶态半导体虽然没有单晶制备的问题，但制备工艺与上述方法相似，一般常用的方法是从汽相中生长薄膜非晶材料。 半导体材料 宽频隙半导体材料 氮化镓、碳化矽和氧化锌等都是宽频隙半导体材料，因为它的禁频宽度都在3个电子伏以上，在室温下不可能将价带电子激发到导带。器件的工作温度可以很高，比如说碳化矽可以工作到600摄氏度；金刚石如果做成半导体，温度可以更高，器件可用在石油钻探头上收集相关需要的信息。它们还在航空、航天等恶劣环境中有重要套用。广播电台、电视台，唯一的大功率发射管还是电子管，没有被半导体器件代替。这种电子管的寿命只有两三千小时，体积大，且非常耗电；如果用碳化矽的高功率发射器件，体积至少可以减少几十到上百倍，寿命也会大大增加，所以高温宽频隙半导体材料是非常重要的新型半导体材料。 半导体材料 这种材料非常难生长，矽上长矽，砷化镓上长GaAs，它可以长得很好。但是这种材料大多都没有块体材料，只得用其它材料做衬底去长。比如说氮化镓在蓝宝石衬底上生长，蓝宝石跟氮化镓的热膨胀系数和晶格常数相差很大，长出来的外延层的缺陷很多，这是最大的问题和难关。另外这种材料的加工、刻蚀也都比较困难。科学家正在着手解决这个问题，如果这个问题一旦解决，就可以提供一个非常广阔的发现新材料的空间。 低维半导体材料 实际上这里说的低维半导体材料就是纳米材料，之所以不愿意使用这个词，发展纳米科学技术的重要目的之一，就是人们能在原子、分子或者纳米的尺度水平上来控制和制造功能强大、性能优越的纳米电子、光电子器件和电路，纳米生物感测器件等，以造福人类。可以预料，纳米科学技术的发展和套用不仅将彻底改变人们的生产和生活方式，也必将改变社会政治格局和战争的对抗形式。这也是为什么人们对发展纳米半导体技术非常重视的原因。 电子在块体材料里，在三个维度的方向上都可以自由运动。但当材料的特征尺寸在一个维度上比电子的平均自由程相比更小的时候，电子在这个方向上的运动会受到限制，电子的能量不再是连续的，而是量子化的，我们称这种材料为超晶格、量子阱材料。量子线材料就是电子只能沿着量子线方向自由运动，另外两个方向上受到限制；量子点材料是指在材料三个维度上的尺寸都要比电子的平均自由程小，电子在三个方向上都不能自由运动，能量在三个方向上都是量子化的。 半导体材料 由于上述的原因，电子的态密度函式也发生了变化，块体材料是抛物线，电子在这上面可以自由运动；如果是量子点材料，它的态密度函式就像是单个的分子、原子那样，完全是孤立的 函式分布，基于这个特点，可制造功能强大的量子器件。 大规模积体电路的存储器是靠大量电子的充放电实现的。大量电子的流动需要消耗很多能量导致晶片发热，从而限制了集成度，如果采用单个电子或几个电子做成的存储器，不但集成度可以提高，而且功耗问题也可以解决。雷射器效率不高，因为雷射器的波长随着温度变化，一般来说随着温度增高波长要红移，所以光纤通信用的雷射器都要控制温度。如果能用量子点雷射器代替现有的量子阱雷射器，这些问题就可迎刃而解了。 半导体材料 基于GaAs和InP基的超晶格、量子阱材料已经发展得很成熟，广泛地套用于光通信、移动通讯、微波通讯的领域。量子级联雷射器是一个单极器件，是近十多年才发展起来的一种新型中、远红外光源，在自由空间通信、红外对抗和遥控化学感测等方面有着重要套用前景。它对MBE制备工艺要求很高，整个器件结构几百到上千层，每层的厚度都要控制在零点几个纳米的精度，中国在此领域做出了国际先进水平的成果；又如多有源区带间量子隧穿输运和光耦合量子阱雷射器，它具有量子效率高、功率大和光束质量好的特点，中国已有很好的研究基础；在量子点（线）材料和量子点雷射器等研究方面也取得了令国际同行瞩目的成绩。 半导体材料 材料中的杂质和缺陷 杂质控制的方法大多数是在晶体生长过程中同时掺入一定类型一定数量的杂质原子。这些杂质原子最终在晶体中的分布，除了决定于生长方法本身以外，还决定于生长条件的选择。例如用提拉法生长时杂质分布除了受杂质分凝规律的影响外，还受到熔体中不规则对流的影响而产生杂质分布的起伏。此外,无论采用哪种晶体生长方法,生长过程中容器、加热器、环境气氛甚至衬底等都会引入杂质，这种情况称自掺杂。晶体缺陷控制也是通过控制晶体生长条件（例如晶体周围热场对称性、温度起伏、环境压力、生长速率等）来实现的。随着器件尺寸的日益缩小，对晶体中杂质分布的微区不均匀和尺寸为原子数量级的微小缺陷也要有所限制。因此如何精心设计，严格控制生长条件以满足对半导体材料中杂质、缺陷的各种要求是半导体材料工艺中的一个中心问题。 特性信息 特性参数 半导体材料虽然种类繁多但有一些固有的特性，称为半导体材料的特性参数。这些特性参数不仅能反映半导体材料与其他非半导体材料之间的差别，而且更重要的是能反映各种半导体材料之间甚至同一种材料在不同情况下特性上的量的差别。常用的半导体材料的特性参数有：禁频宽度、电阻率、载流子迁移率(载流子即半导体中参加导电的电子和空穴)、非平衡载流子寿命、位错密度。禁频宽度由半导体的电子态、原子组态决定，反映组成这种材料的原子中价电子从束缚状态激发到自由状态所需的能量。电阻率、载流子迁移率反映材料的导电能力。非平衡载流子寿命反映半导体材料在外界作用（如光或电场）下内部的载流子由非平衡状态向平衡状态过渡的弛豫特性。位错是晶体中最常见的一类晶体缺陷。位错密度可以用来衡量半导体单晶材料晶格完整性的程度。当然，对于非晶态半导体是没有这一反映晶格完整性的特性参数的。 半导体材料 特性要求 半导体材料的特性参数对于材料套用甚为重要。因为不同的特性决定不同的用途。 半导体材料 电晶体对材料特性的要求 ：根据电晶体的工作原理，要求材料有较大的非平衡载流子寿命和载流子迁移率。用载流子迁移率大的材料制成的电晶体可以工作于更高的频率（有较好的频率回响）。晶体缺陷会影响电晶体的特性甚至使其失效。电晶体的工作温度高温限决定于禁频宽度的大小。禁频宽度越大，电晶体正常工作的高温限也越高。 光电器件对材料特性的要求：利用半导体的光电导（光照后增加的电导）性能的辐射探测器所适用的辐射频率范围与材料的禁频宽度有关。材料的非平衡载流子寿命越大，则探测器的灵敏度越高，而从光作用于探测器到产生回响所需的时间(即探测器的弛豫时间)也越长。因此，高的灵敏度和短的弛豫时间二者难于兼顾。对于太阳能电池来说，为了得到高的转换效率，要求材料有大的非平衡载流子寿命和适中的禁频宽度(禁频宽度于1.1至1.6电子伏之间最合适)。晶体缺陷会使半导体发光二极体、半导体雷射二极体的发光效率大为降低。 温差电器件对材料特性的要求：为提高温差电器件的转换效率首先要使器件两端的温差大。当低温处的温度（一般为环境温度）固定时，温差决定于高温处的温度，即温差电器件的工作温度。为了适应足够高的工作温度就要求材料的禁频宽度不能太小，其次材料要有大的温差电动势率、小的电阻率和小的热导率。 材料工艺 半导体材料特性参数的大小与存在于材料中的杂质原子和晶体缺陷有很大关系。例如电阻率因杂质原子的类型和数量的不同而可能作大范围的变化，而载流子迁移率和非平衡载流子寿命 一般随杂质原子和晶体缺陷的增加而减小。另一方面，半导体材料的各种半导体性质又离不开各种杂质原子的作用。而对于晶体缺陷，除了在一般情况下要尽可能减少和消除外，有的情况下也希望控制在一定的水平，甚至当已经存在缺陷时可以经过适当的处理而加以利用。为了要达到对半导体材料的杂质原子和晶体缺陷这种既要限制又要利用的目的，需要发展一套制备合乎要求的半导体材料的方法，即所谓半导体材料工艺。这些工艺大致可概括为提纯、单晶制备和杂质与缺陷控制。 半导体材料 半导体材料的提纯“主要是除去材料中的杂质。提纯方法可分化学法和物理法。化学提纯是把材料制成某种中间化合物以便系统地除去某些杂质，最后再把材料（元素）从某种容易分解的化合物中分离出来。物理提纯常用的是区域熔炼技术，即将半导体材料铸成锭条，从锭条的一端开始形成一定长度的熔化区域。利用杂质在凝固过程中的分凝现象，当此熔区从一端至另一端重复移动多次后，杂质富集于锭条的两端。去掉两端的材料，剩下的即为具有较高纯度的材料（见区熔法晶体生长）。此外还有真空蒸发、真空蒸馏等物理方法。锗、矽是能够得到的纯度最高的半导体材料，其主要杂质原子所占比例可以小于百亿分之一。 套用发展 早期套用 半导体的第一个套用就是利用它的整流效应作为检波器，就是点接触二极体（也俗称猫胡子检波器，即将一个金属探针接触在一块半导体上以检测电磁波）。除了检波器之外，在早期，半导体还用来做整流器、光伏电池、红外探测器等，半导体的四个效应都用到了。 半导体材料 从1907年到1927年，美国的物理学家研制成功晶体整流器、硒整流器和氧化亚铜整流器。1931年，兰治和伯格曼研制成功硒光伏电池。1932年，德国先后研制成功硫化铅、硒化铅和碲化铅等半导体红外探测器，在二战中用于侦探飞机和船舰。二战时盟军在半导体方面的研究也取得了很大成效，英国就利用红外探测器多次侦探到了德国的飞机。 发展现状 相对于半导体设备市场，半导体材料市场长期处于配角的位置，但随着晶片出货量增长，材料市场将保持持续增长，并开始摆脱浮华的设备市场所带来的阴影。按销售收入计算， 日本保持最大半导体材料市场的地位。然而台湾、ROW、韩国也开始崛起成为重要的市场，材料市场的崛起体现了器件制造业在这些地区的发展。晶圆制造材料市场和封装材料市场双双获得增长，未来增长将趋于缓和，但增长势头仍将保持。 半导体材料 美国半导体产业协会(SIA)预测，2008年半导体市场收入将接近2670亿美元，连续第五年实现增长。无独有偶，半导体材料市场也在相同时间内连续改写销售收入和出货量的记录。晶圆制造材料和封装材料均获得了增长，预计今年这两部分市场收入分别为268亿美元和199亿美元。 日本继续保持在半导体材料市场中的领先地位，消耗量占总市场的22%。2004年台湾地区超过了北美地区成为第二大半导体材料市场。北美地区落后于ROW(RestofWorld)和韩国排名第五。ROW包括新加坡、马来西亚、泰国等东南亚国家和地区。许多新的晶圆厂在这些地区投资建设，而且每个地区都具有比北美更坚实的封装基础。 晶片制造材料占半导体材料市场的60%，其中大部分来自矽晶圆。矽晶圆和光掩膜总和占晶圆制造材料的62%。2007年所有晶圆制造材料，除了湿化学试剂、光掩模和溅射靶，都获得了强劲增长，使晶圆制造材料市场总体增长16%。2008年晶圆制造材料市场增长相对平缓，增幅为7%。预计2009年和2010年，增幅分别为9%和6%。 半导体材料市场发生的最重大的变化之一是封装材料市场的崛起。1998年封装材料市场占半导体材料市场的33%，而2008年该份额预计可增至43%。这种变化是由于球栅阵列、晶片级封装和倒装晶片封装中越来越多地使用碾压基底和先进聚合材料。随着产品便携性和功能性对封装提出了更高的要求，预计这些材料将在未来几年内获得更为强劲的增长。此外，金价大幅上涨使引线键合部分在2007年获得36%的增长。 与晶圆制造材料相似，半导体封装材料在未来三年增速也将放缓，2009年和2010年增幅均为5%，分别达到209亿美元和220亿美元。除去金价因素，且碾压衬底不计入统计，实际增长率为2%至3%。 战略地位 20世纪中叶，单晶矽和半导体电晶体的发明及其矽积体电路的研制成功，导致了电子工业革命；20世纪70年代初石英光导纤维材料和GaAs雷射器的发明，促进了光纤通信技术迅速发展并逐步形成了高新技术产业，使人类进入了资讯时代。超晶格概念的提出及其半导体超晶格、量子阱材料的研制成功，彻底改变了光电器件的设计思想，使半导体器件的设计与制造从“杂质工程”发展到“能带工程”。纳米科学技术的发展和套用，将使人类能从原子、分子或纳米尺度水平上控制、 *** 纵和制造功能强大的新型器件与电路，深刻地影响着世界的政治、经济格局和军事对抗的形式，彻底改变人们的生活方式。

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