国际首创！北大科研团队研发出全新晶体制备方法：“顶蘑菇”式生长方式，晶体单层厚度仅为0.7纳米【附全球半导体技术赛道观察图谱】

瞻观前沿

晶体是科技发展的基石，也是现代计算机、通信、航空、激光技术等领域不可或缺的关键材料。传统制备大尺寸晶体的方法，通常是在晶体小颗粒表面“自下而上”层层堆砌原子，好像“盖房子”，从地基逐层“砌砖”，最终搭建成“屋”。然而，这种自下而上的表面堆砌原子生长方式存在一定局限性，不仅限制了晶体种类多样性，也会随着原子数目不断增加，缺陷逐渐累积，进而限制了晶体质量。

北京大学科研团队在国际上首创出一种全新的晶体制备方法，并自主命名为“晶格传质-界面生长”，这是一种从界面生长，顶着上方结构往上走的“顶蘑菇”式的生长方式，可保证每层晶体结构的快速生长和均一排布，有效避免缺陷的积累，极大提高了晶体结构可控性。这种“长材料”的新方法有望提升芯片的集成度和算力，为新一代电子和光子集成电路提供新的材料。相关研究成果以《多层菱方相过渡金属硫族化合物单晶的界面外延》为题日前在《科学》杂志在线发表。

北京大学物理学院凝聚态物理与材料物理研究所所长刘开辉介绍，这是一种颠覆传统晶体生长方式的晶体制备新范式：先将原子在“地基”，即厘米级的金属表面排布形成第一层晶体，新加入的原子再进入金属与第一层晶体间，顶着上方已形成晶体层生长，不断形成新的晶体层。这和自然界中很多植物的生长方式类似，就像“顶蘑菇”一样。

实验证明，这种“长材料”的独特方法可使晶体层架构速度达到每分钟50层，层数最高达1.5万层，且每层的原子排布完全平行、精确可控，有效避免了缺陷积累，提高了结构可控性。利用此新方法，团队现已制备出硫化钼、硒化钼、硫化钨等7种高质量的二维晶体，这些晶体的单层厚度仅为0.7纳米，而目前使用的硅材料多为5到10纳米。

图片来源：摄图网

技术价值观察

半导体产业链具体包括上游半导体原材料与设备供应、中游半导体产品制造和下游应用。其中，半导体材料处于上游供应环节，材料品类繁多，按制造流程可细分为前端制造材料和后端封装材料。半导体设备，即在芯片制造和封测流程中应用到的设备，广义上也包括生产半导体原材料所需的机器设备。在整个芯片制造和封测过程中，会经过上千道加工工序，涉及到的设备种类大体有九大类，细分又可以划出百种不同的机台，占比较大市场份额的主要有：光刻机、刻蚀机、薄膜沉积设备、离子注入机、测试机、分选机、探针台等。半导体产业下游应用领域包括网络通信、计算机、消费电子、工业控制、汽车电子等。

我国科研团队首创出一种全新晶体制备方法，为新一代电子和光子集成电路提供新的材料因此，从半导体产业链上看，该技术处于产业链的上游原材料环节。

宏观市场观察

——全球半导体行业经历了三次迁移

自发展以来，全球半导体产业格局在不断发生变化。当前，全球半导体产业正在经历第三次产能转移，行业需求中心和产能中心逐步向中国大陆转移。

——全球半导体行业规模

2017-2021年全球半导体行业市场规模波动变化，2019年存储芯片市场下滑严重导致全球半导体市场规模出现下降，2020年以来恢复增长。根据美国半导体产业协会(SIA)发布数据，2021年达到5559亿美元，较2020年增长26%。

——全球半导体硅片行业规模

2022年在车用、工业、物联网以及5G建设等应用的驱动下，8英寸和12英寸半导体硅片需求同步成长。SEMI认为，尽管市场对总体经济忧虑加深，但半导体硅晶圆市场仍持续推进;据国际半导体产业协会(SEMI)统计，过去10年有9年出货量呈现增长，显示硅晶圆在半导体产业中具有重要地位。2022年全球半导体硅片出货面积达147.13亿平方英寸，同比增长3.9%。

近年来全球半导体硅片行业市场规模呈波动增长走势，仅2019-2020年市场规模有所下降，主要原因在于中美贸易问题和下游消费电子市场疲软。根据SEMI统计数据，2022年全球半导体硅片市场规模达到138亿美元，增速9.52%，比2016年全球半导体硅片市场规模增加66亿美元。

——全球半导体设备行业规模

随着全球半导体市场的繁荣发展，半导体设备需求也在增长。2021年全球半导体设备市场规模达到1030亿美元，较2020年增长42.24%。SEMI预测，2022年全球半导体设备市场规模将达到1180亿美元。

2021年全球半导体晶圆制造设备市场规模达到622亿美元，较2020年增长40.68%。2022年全球半导体晶圆制造设备市场规模预计将超过1000亿美元。

——全球半导体材料规模分布

从需求来看，根据国际半导体产业协会(SEMI)的数据，2021年全球半导体材料主要分布在亚洲、北美和欧洲地区。2021年中国半导体材料市场总规模为266.4亿美元(中国大陆+中国台湾)，占世界总规模超过40%，成为世界第一大半导体材料消费国，韩国、日本紧随其后。

——全球半导体企业开展多方面竞争

半导体行业高度全球化，大量国家/地区的企业在半导体生产的多个方面展开竞争，从半导体设计到制造，再到ATP(组装、测试和封装)。

据美国研究机构Gartner发布的报告显示，2021年全球半导体行业排名前十的企业分别是三星(Samsung)、英特尔(Intel)、SK海力士(SK Hynix)、美光(Micron)、高通(Qualcomm)、博通(Broadcom)、联发科技(MediaTek)、德州仪器(TI)、英伟达(NVIDIA)、超威半导体(AMD)。其中，三星(Samsung)超过英特尔(Intel)，成为顶级芯片销售商。2021年三星的半导体收入激增31.6%，达到759.5亿美元。英特尔的收入下降到第二位，只增长了0.5%，达到731亿美元，销售额在前25家公司中增长最慢。

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