半導體技術:悠久歷史及未來的發展方向

半導體的概念對於一般人來說有點遙遠，但是卻又離不開我們。

在高度信息化的時代，人們在生活中對電子產品也是越發依賴。

半導體主要應用於通訊、高速計算機、智能化生活等等。

信息化時代的半導體技術基本被國外的科技公司所掌握，國內的半導體也在加速騰飛，國內諸如紫光集團、中芯國際等半導體企業也在加緊前進的步伐。

半導體的應用不僅僅是局限於我們常見的手機、個人電腦或者智能設備上，它還廣泛存在於醫療，航空等尖端技術領域。

半導體概念及發展歷程

眾所周知，物體的存在形式是多種多樣的：氣態、液態、固態、離子體等。

人們一般把導電性和導熱性差的材料稱為絕緣體;而將導電性、導熱性好的材料稱為導體;超導體雖然已經出現，不過局限性好事比較大的，大規模應用起來還需要技術的進一步發展。

半導體是一種介於導體和絕緣體之間的材料，半導體是發現的比較晚的材料，直到材料提純技術改進以後，半導體才正式被認可。

當然，在我們現在的概念里，半導體就是高純度的矽，經過加工再變成我們常見的電子晶片。

半導體IC設計

半導體材料最早是在19世紀發現的，但是由於當時人們對於半導體的人士較少，所以應用上稍後有不足，但是對於半導體材料的研究並沒有停止。

在20世紀20年代，固體物理和量子力學的發展以及能帶論的不斷完善，半導體材料中的電子台和電子運輸過程的更深入研究，半導體中的結構性能、雜質和缺陷行為的認知加深， 提高半導體材料的完整性和純度研究。

20世紀50年代，為了改善電晶體特性，提高電晶體的運行穩定性，半導體的製備技術得以快速發展。

雖然單晶矽在為電子技術應用方面取得巨大成功，但由於矽材料的間接帶隙的影響，矽基帶發光其的研究進展緩慢。

這一問題在半導體超晶體格概念提出和分子束外延，成功的發展出了一系列晶態、非晶態薄層、超薄層微結構材料，讓半導體物理和半導體器件的設計與製造發生質變，為基於量子效應的新一代元器件製造打下基礎。

20世紀80年代，掃描隧道顯微技術和院子裡顯微鏡技術的發展與應用，納米科學得到迅速發展，使得人們可以在原子、分子、納米尺度上進行操控，製造具有全新功能的材料和器件，主要以碳60、碳納米管為代表的納米材料及半導體量子點、量子線材料和半導體量子器件研究。

隨著信息載體從電子向光電子和光子轉換，半導體的技術也在不斷的改變和革新，半導體材料從三維體材料到薄層、兩位超薄層微結構材料向著集材料、器件、電路為一體的功能系統集成晶片材料，並以量子線和零維量子點(納米結構材料)方向發展。

在21世紀中葉前，以矽和矽基材料作為為電子技術的基礎不會改變，化合物半導體微結構材料以其優異的光點性質在高速、低功耗、低噪音器件電路中發揮越來越重要的作用。

有機半導體發光材料也是光電子器件、光電集成、光子集成中相當重要的發展方向，因為成本低廉和柔性良好，在新一代的顯示面板材料中會占有相當重要的地位。

半導體的應用及未來

半導體廣泛應用於我們的生活中，我們升上的一切智能設備都需要半導體，智能手錶，智能、穿戴設備、智慧型手機、電腦乃至時下非常熱門的VR或者智能家居都是離不開半導體技術的。

目前我們接觸最多的半導體是來自於CPU、DRAM內存、NAND快閃記憶體、以及各種電子控制晶片，這些晶片都是基於單晶矽加工而成。

智能硬體

目前的處理器主要分為兩種，ARM處理器和X86處理器，這兩種處理器在底層指令集上有所不同，所以他們之間的的側重點也不大一樣，ARM處理器講究的是低功耗，而X86處理器需要的是性能。

不過它們都是採用基於矽晶圓製造的，ARM處理器主要的代工廠家為台積電和三星，他們提供了16nm、14nm FinFET+的晶圓加工工藝。

而X86平台的則是由格羅方德和Intel自家生產。

因特爾著名的Tick-Tock計劃，就是基於摩爾定律的控制計算經驗法則，不過隨著進入10nm節點，摩爾定律也開始失效了，新工藝的進度一直在放緩。

市面上的存儲晶片主要分為兩種，DRAM顆粒和NAND顆粒，現在的DRAM顆粒主要由三星、美光、SK Hynix三家廠商製造。

其中三星已經將製程工藝提升到了18nm並開始正式量產，製造過程也由半導體印刷改變成為了雙重曝光工藝。

SK Hynix也已經在研發18nm的DRAM工藝。

而美光最慘，20nm量產也是不久之前，18nm更是遙遙無期。

NAND工藝則是由三星、美光、東芝(OCZ)把控，目前的工藝都提升到了15/16nm，並且各大廠商都在推行TLC顆粒。

以上的均是最新製程，還在使用相對老舊製程工藝的有固態硬碟的主控等不會被過於被人關注的細節部分，不過這些對於性能的影響也不會太大，所以工藝的提升相對緩慢。

GPU方面是有AMD和Nvidia，包括最近相當火熱HBM堆棧式顯存，其中GPU代工主要是有台積電完成，而顯存則是主要由三星提供，畢竟三星的HBM堆棧式顯存的發展史最迅速的。

除此之外，美光的GDDR5 X顯存也會是中低端的助力競爭品，畢竟性能上比普通的GDDR5要強上不少。

在顯卡HBM顯存成本居高不下情況下，GDDR5X是這幾年中低端顯卡的標配顯存。

晶圓的製作過程一般是分為單晶矽提純，製作成為柱型的矽錠，再橫向進行切割成為圓形的的單個矽片，現在晶圓的一般大小為12英寸;通過氧化在晶圓表面增加一層二氧化矽構成絕緣層，使CPU不再漏電;然後就可以進行光刻，光刻就是在製作電晶體的過程，電晶體的數量和密度都會隨著製程工藝的升級而不斷加強;最後對晶圓進行切割，封裝，製作成為CPU、GPU、DRAM顆粒、NAND顆粒。

在組裝成為我們生活中的手機、電腦和一種智能硬體。

21世紀的半導體將不會僅僅局限於基於矽晶體的半導體技術，有機半導體材料、金屬氧化物方向發展，以求進一步降低成本和提高穩定性，降低耗能。