常凯院士：我国半导体芯片制造底层技术短板待补
编者按
2023年当代杰出华人科学家公开讲座10月31日在澳门科技大学举办。讲座以“从芯突破 创见未来”为主题，聚焦芯片技术研发和产业发展。中国科学院半导体研究所研究员常凯院士、北京大学电子学院院长彭练矛院士（点击阅读彭院士观点），分别作主旨报告。现将常凯院士讲座内容整理如下，以飨读者。
整理 | 冯丽妃 《中国科学报》记者
过去两百多年间，人们在半导体中发现了许多物理效应，其中真正改变人们生活的伟大发现有3个——晶体管、半导体激光器和白光照明。
晶体管是半导体芯片的基础，人工智能、移动通信、云计算、互联网、智能网联汽车等都离不开它。它支撑了非常多的新兴产业，在国家战略发展中具有举足轻重的地位。
在半导体芯片制造产业链中，中国目前在某些材料环节上具有局部优势。但芯片制造的过程涉及的工艺环节有上千个，我国在许多环节尚未达到国际先进水平，关键底层技术的缺乏使我国长期处于产业链的中低端，因此需要夯实底层技术，加快发展步伐。
我国有材料优势
半导体器件丰富多样，是制造集成电路逻辑芯片、存储芯片、新兴人工智能芯片，乃至光电子芯片、传感器芯片的核心元器件。2021年，全球半导体芯片产业规模达5500多亿美元，是一个非常大的市场。
材料产业位于整个半导体产业链上游。其中半导体材料包括硅、锗、镓等。硅材料在自然界储量丰富，每公斤地球物质含有300毫克硅材料，其含量在地球中位列第二，可以说是取之不尽、用之不竭。相比之下，锗和镓元素的丰度大约下降到十万分之一，且提取困难。
中国在锗和镓材料产业链中具有重要的地位和发言权。中国的镓元素约占全球的80%、锗元素占60%。镓元素是生产第二代和第三代半导体的关键材料，影响半导体芯片、二极管、功率器件等的制备，锗则主要用于光纤通信领域。镓和锗都是从铝矿和锌矿的废渣里提炼出来的，生产过程会消耗大量电能，不过中国有强大的电力系统作支撑。
在半导体产业中，首先必须做出高纯度材料，才能提升芯片或器件的良品率。以硅为例，低纯度硅可用来做太阳能电池，高纯度电子级晶硅（纯度至少要到0.999999）才能用来制造半导体芯片。基于产业界和科学界70多年的努力，现在硅元素提纯率可达到0.99999999999，也就是千亿分之一，即1000亿个硅原子中有一个杂质原子。目前，我国已经可以提取高纯度硅，但其均匀性有待提高。
技术短板待补
尽管在材料领域具有局部优势，但在半导体芯片产业链中，过去我国产业较多分布于封装、测试等产业链下游领域，对技术难度更高的设备、晶圆制造等产业链上游和核心涉及较少。例如，光刻设备、高纯度光刻胶、电子特气等的制造能力有很大的提升空间，微纳级先进芯片技术发展速度仍未跟上产业需求。
以汽车行业为例，这一行业目前已经发生了颠覆性变革，传统油车的底盘、传动、引擎等部分是最具技术含量的设备，但它们在新能源汽车中已经不再那么重要，电动机、电池和自动驾驶成为关键支撑技术。
2022年，中国成为世界第一汽车制造大国，尽管我国在智能网联汽车规模应用方面拥有领先优势，但我们也要看到背后的问题和隐患所在——车载芯片。汽车芯片按功能分为主控芯片、模拟芯片、功率芯片以及存储芯片。
目前，即便是传统油车，每辆车也会使用600块到1000块芯片。每辆新能源汽车则要用1000块到2000块芯片，占整个汽车成本的40%。而当前我国大部分汽车所使用的芯片仍要从国外大量进口。因此，尽早实现高水平科技自立自强，是中国新能源汽车企业十分迫切的需求。
现在，国家高度重视上述现象，近几年一些国内公司也在加速发展。相信通过若干年的努力创新，我们可以在芯片行业达到世界先进水平。
常 凯
中国科学院院士。我国半导体理论物理领域一位优秀的学科带头人。现任职于中国科学院半导体研究所。在半导体量子结构物性调控，特别是半导体极性界面、窄能隙半导体自旋轨道耦合和新奇量子相探索等方面取得了一系列具有重要国际影响的原创性成果，发表包括Nature子刊和PRL在内的重要学术刊物上的SCI论文190余篇。
来源：中国科学报官方微信公众号
发布于：北京
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