王興艷

我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)長(zhǎng)期受制于人，每年進(jìn)口芯片的支出就超過(guò)2 000億美元，高于進(jìn)口石油的花費(fèi)。這種被動(dòng)局面很大程度上與我國(guó)半導(dǎo)體材料技術(shù)不強(qiáng)有關(guān)。近年來(lái)，以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）為代表的第3代半導(dǎo)體材料正在興起，美國(guó)早在2014年就成立了下一代電力電子制造創(chuàng)新學(xué)院，重點(diǎn)推進(jìn)第3代半導(dǎo)體材料的技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用開發(fā)。如何抓住第3代半導(dǎo)體材料發(fā)展機(jī)會(huì)，實(shí)現(xiàn)我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的彎道超車，值得認(rèn)真研究。

一、第3代半導(dǎo)體材料已經(jīng)成為全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)

第3代半導(dǎo)體材料具有廣闊的發(fā)展前景。一是可以制作成高溫、高頻、抗輻射及大功率等電力電子器件，用于石油和地?zé)徙@井勘探、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、航空、航天探測(cè)、核能開發(fā)、衛(wèi)星、通信、廣播電視等國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域。二是可以用于軍用飛機(jī)、陸地坦克以及高性能雷達(dá)系統(tǒng)等軍事裝備領(lǐng)域。三是它是重要的節(jié)能材料，如用在新能源汽車和高鐵領(lǐng)域可以降低20%的能耗，用于家電領(lǐng)域可以節(jié)能50%，用于工業(yè)電機(jī)可以節(jié)能30%～50%，用于太陽(yáng)能可以降低25%以上的光電轉(zhuǎn)化損失等。

第3代半導(dǎo)體材料成為發(fā)達(dá)國(guó)家戰(zhàn)略部署重點(diǎn)。美國(guó)、日本、歐盟等國(guó)家和地區(qū)均將其置于重要的戰(zhàn)略位置，對(duì)其投入巨資進(jìn)行支持。2013年日本政府將SiC納入“首相戰(zhàn)略”，認(rèn)為未來(lái)50%的節(jié)能要通過(guò)它來(lái)實(shí)現(xiàn)；2014年1月，美國(guó)宣布設(shè)立國(guó)家下一代電力電子制造業(yè)創(chuàng)新學(xué)院，5年內(nèi)將至少投入1.4億美元，對(duì)寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)行研究，加速其商業(yè)化應(yīng)用；2016年10月，美國(guó)成立半導(dǎo)體工作組，專注于加強(qiáng)美國(guó)的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)；2015年英國(guó)政府和威爾士政府為卡迪夫大學(xué)投資超過(guò)2 900萬(wàn)英鎊，用于建設(shè)新的化合物半導(dǎo)體研究所（ICS），該研究所不僅是下一代化合物半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新中心的重要組成部分，也是建設(shè)歐洲第5個(gè)半導(dǎo)體集群戰(zhàn)略的關(guān)鍵組成部分。

跨國(guó)企業(yè)積極布局發(fā)展第3代半導(dǎo)體材料。第3代半導(dǎo)體材料吸引了大批國(guó)際巨頭公司。美國(guó)的科銳（Cree）公司、道康寧（Dow Corning）、II-VI公司、國(guó)際整流器公司、射頻微系統(tǒng)公司、飛思卡爾（Freescale）半導(dǎo)體公司，德國(guó)的SiCrystal公司和Azzurro公司，英國(guó)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(tǒng)公司等，紛紛開展第3代半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)化及應(yīng)用技術(shù)研發(fā)工作，以期在未來(lái)半導(dǎo)體市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中繼續(xù)保持有利地位。

我國(guó)發(fā)展第3代半導(dǎo)體材料具有緊迫性。當(dāng)前美國(guó)和日本等國(guó)正積極資助第3代半導(dǎo)體材料的應(yīng)用。如2014年美國(guó)能源部向先進(jìn)功率電子器件及電動(dòng)車項(xiàng)目投入6 900萬(wàn)美元；特斯拉Model S采用SiC替代Si制成的新電力電子產(chǎn)品，電力節(jié)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(xué)聯(lián)合應(yīng)用研發(fā)。近幾年，德國(guó)、瑞士、日本利用SiC等第3代半導(dǎo)體材料已經(jīng)開發(fā)了先進(jìn)的絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）功率半導(dǎo)體模塊，全球年市場(chǎng)規(guī)?？蛇_(dá)50億美元。我國(guó)的該類模塊產(chǎn)品還停留在研發(fā)階段，下游應(yīng)用停留在傳統(tǒng)模塊，如不加快第3代半導(dǎo)體材料應(yīng)用開發(fā)，將使我國(guó)繼續(xù)重蹈第1代、第2代半導(dǎo)體發(fā)展受制于人、下游應(yīng)用領(lǐng)域高度依賴進(jìn)口的被動(dòng)局面。

二、我國(guó)第3代半導(dǎo)體材料發(fā)展現(xiàn)狀及問(wèn)題

產(chǎn)業(yè)鏈初步形成，但企業(yè)規(guī)模偏小。目前，我國(guó)在SiC領(lǐng)域已經(jīng)擁有了北京天科合達(dá)半導(dǎo)體股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱“天科合達(dá)”）、泰科天潤(rùn)半導(dǎo)體科技（北京）有限公司、中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所、國(guó)網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院、揚(yáng)州揚(yáng)杰電子科技股份有限公司等企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)，初步形成了從SiC單晶材料制備、外延材料生長(zhǎng)到器件制作及封裝測(cè)試，再到電力電子系統(tǒng)應(yīng)用的SiC全產(chǎn)業(yè)鏈。但產(chǎn)業(yè)規(guī)模仍很小，產(chǎn)業(yè)還處于起步階段，如天科合達(dá)2～4英寸SiC晶片的產(chǎn)能僅7萬(wàn)片/年，美國(guó)Cree的產(chǎn)能按6英寸折算約為80萬(wàn)～100萬(wàn)片/年，約占全球市場(chǎng)的80%。

部分材料技術(shù)已現(xiàn)趕超之勢(shì)，但關(guān)鍵瓶頸亟待突破。目前，我國(guó)第3代半導(dǎo)體材料在研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化方面取得很大成就。如在碳化硅半導(dǎo)體襯底領(lǐng)域，山東天岳晶體材料有限公司已經(jīng)具備批量生產(chǎn)4英寸高品質(zhì)的半絕緣和導(dǎo)電性襯底材料的能力，躋身世界10強(qiáng)。但要抓住趕超時(shí)機(jī)，還需要解決制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一些關(guān)鍵問(wèn)題。如SiC晶片價(jià)格昂貴大大限制其推廣應(yīng)用；關(guān)鍵技術(shù)裝備研發(fā)不足導(dǎo)致產(chǎn)業(yè)發(fā)展遭受“卡脖子”等。

產(chǎn)學(xué)研用創(chuàng)新體系初步建立，協(xié)同發(fā)展機(jī)制仍不完善。2013年成立的中國(guó)寬禁帶功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，2015年成立的第3代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，以及2016年成立的第3代半導(dǎo)體材料及應(yīng)用聯(lián)合創(chuàng)新基地，都吸納了大學(xué)、科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)加盟，并獲得了政府支持，為我國(guó)第3代半導(dǎo)體材料實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新搭建了發(fā)展平臺(tái)。但平臺(tái)要實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)作，還有許多問(wèn)題需要逐步解決，如項(xiàng)目合作為主導(dǎo)的運(yùn)作模式，由于企業(yè)認(rèn)識(shí)不足和研發(fā)投入所限，導(dǎo)致項(xiàng)目目標(biāo)短期化，科技成果轉(zhuǎn)化率低。各參與方的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)機(jī)制不健全，國(guó)家對(duì)產(chǎn)學(xué)研用結(jié)合的支持政策特別是投融資的政策不完備，影響了聯(lián)盟作用的發(fā)揮。

三、發(fā)展建議

強(qiáng)化政策扶持引導(dǎo)。一是加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)。設(shè)立重大專項(xiàng)，快速、有序地部署和推進(jìn)我國(guó)第3代半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)布局和應(yīng)用。二是將第3代半導(dǎo)體材料納入強(qiáng)基工程，開展第3代半導(dǎo)體元器件的示范應(yīng)用，積極拓展SiC、GaN在電動(dòng)及混合動(dòng)力交通設(shè)施、可再生能源、電網(wǎng)、儲(chǔ)能等領(lǐng)域的應(yīng)用。三是加大對(duì)第3代半導(dǎo)體材料的研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化及應(yīng)用推廣等環(huán)節(jié)的支持力度，特別是探索產(chǎn)學(xué)研用一體化的政策和資金支持方式，如由“企業(yè)+高校+科研+用戶”作為一個(gè)整體申請(qǐng)并實(shí)施政府項(xiàng)目。

切實(shí)發(fā)揮聯(lián)盟作用。以聯(lián)盟為抓手，圍繞產(chǎn)業(yè)鏈構(gòu)建創(chuàng)新鏈。發(fā)揮聯(lián)盟的紐帶作用，促進(jìn)聯(lián)盟成員的技術(shù)交流，組織企業(yè)、高校和科研機(jī)構(gòu)的科研人員和技術(shù)骨干成立研發(fā)團(tuán)隊(duì)，實(shí)現(xiàn)協(xié)同創(chuàng)新。緊密圍繞產(chǎn)業(yè)鏈條發(fā)展和關(guān)鍵共性技術(shù)，重點(diǎn)研發(fā)第3代半導(dǎo)體低成本生產(chǎn)技術(shù)和功率器件及模塊、柵極驅(qū)動(dòng)的開發(fā)與生產(chǎn)技術(shù)，加快器件的可靠性、測(cè)試與故障分析，推進(jìn)產(chǎn)品的商業(yè)化，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同發(fā)展。

深化國(guó)際交流合作。一是積極推動(dòng)國(guó)內(nèi)外相關(guān)院校、科研機(jī)構(gòu)、企業(yè)開展國(guó)際交流合作。如積極組織國(guó)際學(xué)術(shù)論壇，及時(shí)掌握技術(shù)前沿及發(fā)展動(dòng)態(tài)；建立國(guó)際聯(lián)合研發(fā)機(jī)構(gòu)，構(gòu)建全球化創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)；鼓勵(lì)國(guó)內(nèi)外企業(yè)組建戰(zhàn)略技術(shù)聯(lián)盟，通過(guò)相互學(xué)習(xí)、合作創(chuàng)新，開拓企業(yè)發(fā)展空間。二是積極鼓勵(lì)有實(shí)力的企業(yè)到海外設(shè)立研發(fā)機(jī)構(gòu)，吸引海外技術(shù)人才加入，組建海外研發(fā)團(tuán)隊(duì)。三是積極推動(dòng)創(chuàng)新投資的全球化，鼓勵(lì)我國(guó)企業(yè)研發(fā)投入面向全球，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新資源的全球開發(fā)及利用。