加快發展第三代半導體材料實現產業趕超

我國半導體產業長期受制於人，每年進口晶元的支出就超過2 000億美元，高於進口石油的花費。這種被動局面很大程度上與我國半導體材料技術不強有關。近年來，以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）為代表的第3代半導體材料正在興起，美國早在2014年就成立了下一代電力電子製造創新學院，重點推進第3代半導體材料的技術研發與應用開發。如何抓住第3代半導體材料發展機會，實現我國半導體產業的彎道超車，值得認真研究。

一、第3代半導體材料已經成為全球半導體產業競爭的焦點

第3代半導體材料具有廣闊的發展前景。一是可以製作成高溫、高頻、抗輻射及大功率等電力電子器件，用於石油和地熱鑽井勘探、汽車發動機、航空、航天探測、核能開發、衛星、通信、廣播電視等國民經濟領域。二是可以用于軍用飛機、陸地坦克以及高性能雷達系統等軍事裝備領域。三是它是重要的節能材料，如用在新能源汽車和高鐵領域可以降低20%的能耗，用於家電領域可以節能50%，用於工業電機可以節能30%～50%，用於太陽能可以降低25%以上的光電轉化損失等。

第3代半導體材料成為發達國家戰略部署重點。美國、日本、歐盟等國家和地區均將其置於重要的戰略位置，對其投入巨資進行支持。2013年日本政府將SiC納入「首相戰略」，認為未來50%的節能要通過它來實現；2014年1月，美國宣布設立國家下一代電力電子製造業創新學院，5年內將至少投入1.4億美元，對寬頻隙半導體技術進行研究，加速其商業化應用；2016年10月，美國成立半導體工作組，專註於加強美國的半導體產業；2015年英國政府和威爾士政府為卡迪夫大學投資超過2 900萬英鎊，用於建設新的化合物半導體研究所（ICS），該研究所不僅是下一代化合物半導體技術創新中心的重要組成部分，也是建設歐洲第5個半導體集群戰略的關鍵組成部分。

跨國企業積極布局發展第3代半導體材料。第3代半導體材料吸引了大批國際巨頭公司。美國的科銳（Cree）公司、道康寧（Dow Corning）、II-VI公司、國際整流器公司、射頻微系統公司、飛思卡爾（Freescale）半導體公司，德國的SiCrystal公司和Azzurro公司，英國的普萊思公司，日本的富士通公司和松下公司，加拿大的氮化鎵系統公司等，紛紛開展第3代半導體材料產業化及應用技術研發工作，以期在未來半導體市場競爭中繼續保持有利地位。

我國發展第3代半導體材料具有緊迫性。當前美國和日本等國正積極資助第3代半導體材料的應用。如2014年美國能源部向先進功率電子器件及電動車項目投入6 900萬美元；特斯拉Model S採用SiC替代Si製成的新電力電子產品，電力節省了20%，電池成本降低了6 000多美元，約車輛成本的8%。日本政府資助豐田、本田等車企和大學聯合應用研發。近幾年，德國、瑞士、日本利用SiC等第3代半導體材料已經開發了先進的絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）功率半導體模塊，全球年市場規模可達50億美元。我國的該類模塊產品還停留在研發階段，下游應用停留在傳統模塊，如不加快第3代半導體材料應用開發，將使我國繼續重蹈第1代、第2代半導體發展受制於人、下游應用領域高度依賴進口的被動局面。

二、我國第3代半導體材料發展現狀及問題

產業鏈初步形成，但企業規模偏小。目前，我國在SiC領域已經擁有了北京天科合達半導體股份有限公司（以下簡稱「天科合達」）、泰科天潤半導體科技（北京）有限公司、中國電子科技集團公司第五十五研究所、國網智能電網研究院、揚州揚傑電子科技股份有限公司等企業和研究機構，初步形成了從SiC單晶材料製備、外延材料生長到器件製作及封裝測試，再到電力電子系統應用的SiC全產業鏈。但產業規模仍很小，產業還處於起步階段，如天科合達2～4英寸SiC晶片的產能僅7萬片/年，美國Cree的產能按6英寸折算約為80萬～100萬片/年，約佔全球市場的80%。

部分材料技術已現趕超之勢，但關鍵瓶頸亟待突破。目前，我國第3代半導體材料在研發和產業化方面取得很大成就。如在碳化硅半導體襯底領域，山東天岳晶體材料有限公司已經具備批量生產4英寸高品質的半絕緣和導電性襯底材料的能力，躋身世界10強。但要抓住趕超時機，還需要解決制約產業發展的一些關鍵問題。如SiC晶片價格昂貴大大限制其推廣應用；關鍵技術裝備研發不足導致產業發展遭受「卡脖子」等。

產學研用創新體系初步建立，協同發展機制仍不完善。2013年成立的中國寬禁帶功率半導體產業聯盟，2015年成立的第3代半導體產業技術創新戰略聯盟，以及2016年成立的第3代半導體材料及應用聯合創新基地，都吸納了大學、科研機構和企業加盟，並獲得了政府支持，為我國第3代半導體材料實現技術創新搭建了發展平台。但平台要實現高效運作，還有許多問題需要逐步解決，如項目合作為主導的運作模式，由於企業認識不足和研發投入所限，導致項目目標短期化，科技成果轉化率低。各參與方的統籌協調機制不健全，國家對產學研用結合的支持政策特別是投融資的政策不完備，影響了聯盟作用的發揮。

三、發展建議

強化政策扶持引導。一是加強頂層設計。設立重大專項，快速、有序地部署和推進我國第3代半導體材料產業布局和應用。二是將第3代半導體材料納入強基工程，開展第3代半導體元器件的示範應用，積極拓展SiC、GaN在電動及混合動力交通設施、可再生能源、電網、儲能等領域的應用。三是加大對第3代半導體材料的研發、產業化及應用推廣等環節的支持力度，特別是探索產學研用一體化的政策和資金支持方式，如由「企業+高校+科研+用戶」作為一個整體申請並實施政府項目。

切實發揮聯盟作用。以聯盟為抓手，圍繞產業鏈構建創新鏈。發揮聯盟的紐帶作用，促進聯盟成員的技術交流，組織企業、高校和科研機構的科研人員和技術骨幹成立研發團隊，實現協同創新。緊密圍繞產業鏈條發展和關鍵共性技術，重點研發第3代半導體低成本生產技術和功率器件及模塊、柵極驅動的開發與生產技術，加快器件的可靠性、測試與故障分析，推進產品的商業化，促進產業鏈的協同發展。

深化國際交流合作。一是積極推動國內外相關院校、科研機構、企業開展國際交流合作。如積極組織國際學術論壇，及時掌握技術前沿及發展動態；建立國際聯合研發機構，構建全球化創新網路；鼓勵國內外企業組建戰略技術聯盟，通過相互學習、合作創新，開拓企業發展空間。二是積極鼓勵有實力的企業到海外設立研發機構，吸引海外技術人才加入，組建海外研發團隊。三是積極推動創新投資的全球化，鼓勵我國企業研發投入面向全球，實現創新資源的全球開發及利用。

文/王興艷

工業和信息化部賽迪智庫原材料工業研究所

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