江洪 劉義鶴 張曉丹

相比第1代與第2代半導(dǎo)體材料，第3代半導(dǎo)體材料是具有較大禁帶寬度（禁帶寬度>2.2eV）的半導(dǎo)體材料。第3代半導(dǎo)體主要包括碳化硅（SiC）、氮化鋁（AlN）、氮化鎵（GaN）、金剛石、氧化鋅（ZnO），其中，發(fā)展較為成熟的是SiC和GaN。第3代半導(dǎo)體材料在導(dǎo)熱率、抗輻射能力、擊穿電場、電子飽和速率等方面優(yōu)勢突出，因此更適用于高溫、高頻、抗輻射的場合。

隨著SiC、GaN器件的制備工藝逐步成熟，其生產(chǎn)成本也在不斷降低，第3代半導(dǎo)體正以其優(yōu)良的性能突破傳統(tǒng)硅基材料的瓶頸，逐步進(jìn)入硅基半導(dǎo)體市場，有望引領(lǐng)新一輪產(chǎn)業(yè)革命。因此，世界各國紛紛開始制定計劃，大力發(fā)展第3代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。

一、美國

美國已經(jīng)將部署第3代半導(dǎo)體戰(zhàn)略提高到國家層面，以確立在這一領(lǐng)域?qū)κ澜绲慕^對優(yōu)勢地位。自2000年以來，美國國防部、能源部、科學(xué)技術(shù)委員會及其部分產(chǎn)學(xué)研機(jī)構(gòu)紛紛制訂有關(guān)GaN、SiC等半導(dǎo)體材料的開發(fā)項(xiàng)目，聚焦于電子器件、光電子器件和柔性電子器件研究、開發(fā)的政策與措施。

2002年，美國國防先進(jìn)研究計劃局（DARPA）啟動并實(shí)施了“寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)計劃（WBGSTI）”[1]。該計劃第1階段在2002-2004年，期間將市售SiC襯底直徑由2英寸增加到3英寸，同時開展4英寸SiC襯底的研究，并于2006年實(shí)現(xiàn)了商品化。美國科銳（Cree）公司進(jìn)一步推進(jìn)了GaN基高功率、高效X波段器件研制。在計劃第1階段內(nèi)還成功開發(fā)出場電極技術(shù)（field-plates），使電力電子器件獲得極高的擊穿電壓和輸出功率。計劃第2階段為2005-2007年，主要實(shí)現(xiàn)GaN基高可靠性、高性能微波與毫米波器件的工程化生產(chǎn)。第3階段于2008-2009年實(shí)施，主要研制GaN基高可靠性、高性能單芯片毫米波集成電路（MMIC）。第2、3階段期間建立了MMIC的全面設(shè)計、生產(chǎn)與封裝技術(shù)。

2010年美國推出“寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新計劃”，主要推動高性能SiC、GaN材料應(yīng)用與各種商用系統(tǒng)的開發(fā)，這些系統(tǒng)包括雷達(dá)、武器、電子通信與對抗等。

2011年，DARPA/MTO贊助并發(fā)起了氮化物電子下一代技術(shù)（Nitride Electronic Next Generation Technology，NEXT）計劃[2]，主要推動GaN材料在高頻領(lǐng)域的應(yīng)用。期間演示了300GHz D模式和200GHz E模式高遷移率場效應(yīng)管（HEMT），同時保持擊穿電壓和晶體管截止頻率乘積大于5THz·Volt。NEXT程序的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)用于混合信號應(yīng)用的1000-晶體管、高輸出、500GHz E/D模式GaN技術(shù)。同年，美國能源部提出下一代照明光源計劃（NGLI）和固態(tài)照明研發(fā)計劃（SSL）。其中，NGLI項(xiàng)目為期10年，耗資5億美元，旨在用固態(tài)光源替代傳統(tǒng)燈泡。SSL計劃中的多年研發(fā)項(xiàng)目計劃（MYPP）則提出了LED封裝價格和性能的發(fā)展規(guī)劃。

2012年美國國家科學(xué)技術(shù)委員會發(fā)布了《國家先進(jìn)制造戰(zhàn)略規(guī)劃》[3]，在其“協(xié)調(diào)聯(lián)邦投資的先進(jìn)材料”部分提出了在納米級、生物級、智能級及復(fù)合材料等方面進(jìn)行投資，國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院開展了“下一代材料測量、建模及仿真計劃”。同年提出的《國家制造也創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)（NNMI）》[4]中，在建成的9座創(chuàng)新中心中有3家涉及第3代半導(dǎo)體研發(fā)。

2013年，美國能源先期研究計劃局（ARPA-E）提出了《控制高效系統(tǒng)的寬禁帶半導(dǎo)體低成本晶體管戰(zhàn)略（SWITCHES）》[5]。ARPA-E將向14個項(xiàng)目投資共計2 700萬美元，以開發(fā)下一代功率轉(zhuǎn)換器件，使電網(wǎng)中控制和轉(zhuǎn)換電能的方式發(fā)生巨大變革。

奧巴馬政府于2014年7月提出：在2022年前將再建立45個制造業(yè)創(chuàng)新中心（IMIs），美國將開啟“下一代電力電子技術(shù)國家制造業(yè)創(chuàng)新中心”的建設(shè)[6]。并為這一目標(biāo)提供強(qiáng)有力的政策支持，《國情咨文》宣布以10億美元的投資創(chuàng)建15個IMIs。電力電子技術(shù)國家制造業(yè)創(chuàng)新中心的建立目標(biāo)是加速、加強(qiáng)寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，從而使美國迅速占領(lǐng)涵蓋范圍廣的應(yīng)用領(lǐng)域市場。這些市場分布包含傳統(tǒng)市場和規(guī)模與發(fā)展速度最大、最快的新興市場，從家用電器小型領(lǐng)域到工業(yè)設(shè)備制造大型領(lǐng)域，從電信技術(shù)到清潔能源技術(shù)等，下一代電力電子市場為美國創(chuàng)造出一大批高收入就業(yè)崗位。

2015年，美國國家科學(xué)基金會和美國能源部對阿肯色大學(xué)國家可靠電力傳輸中心的SiC技術(shù)項(xiàng)目提供了資助。此研究是美國國家科學(xué)基金會“建立創(chuàng)新能力項(xiàng)目”的一部分，APEI公司重點(diǎn)在開發(fā)電力系統(tǒng)中的SiC電路，同年阿肯色大學(xué)成功研發(fā)出工作溫度超過350℃的SiC基集成電路，并致力于將其推向商業(yè)化。此后美國陸軍坦克研究和發(fā)展工程中心于2015年12月和2016年3月分別向通用電氣公司航空部門簽署了價值340萬美元和210萬美元的2項(xiàng)SiC基功率電子器件合同，以其資助研發(fā)并向其采購SiC基功率電子器件。

2015年9-10月，美國專家舉行了有關(guān)固態(tài)照明的會議，2016年2月能源部建立固態(tài)照明研發(fā)工作室，同年美國更新了《固態(tài)照明計劃》[7]。這一系列舉措確定了為美國未來3年LED及OLED照明解決方案增加價值的意見，即以寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)為基礎(chǔ)，提高光效、消除使用的障礙、降低成本，并且驅(qū)動、優(yōu)先考慮特定技術(shù)研發(fā)的應(yīng)用。在《確保美國在半導(dǎo)體領(lǐng)域的長期領(lǐng)導(dǎo)地位》[8]報告中指出，要“通過在尖端領(lǐng)域的持續(xù)創(chuàng)新，美國才能減少由中國產(chǎn)業(yè)政策所帶來的威脅，以增強(qiáng)美國經(jīng)濟(jì)”，并成立了半導(dǎo)體公共組織，以加強(qiáng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展，使國家經(jīng)濟(jì)和安全受益。

二、歐盟

歐盟作為歐洲的經(jīng)濟(jì)和政治共同體，在制定第3代半導(dǎo)體發(fā)展規(guī)劃上以聯(lián)合研發(fā)項(xiàng)目為主，以對各個成員國的資金、人才、技術(shù)優(yōu)勢進(jìn)行優(yōu)化配置，使歐洲在半導(dǎo)體領(lǐng)域保持國際領(lǐng)先水平。

2005年，歐盟推出了由歐洲防衛(wèi)機(jī)構(gòu)資助的面向國防和商業(yè)應(yīng)用的“GaN集成電路研發(fā)核心機(jī)構(gòu)（Key Organization for Research on Integrated Circuits in GaN，KORRIGAN）計劃”[9]，為期4年，總經(jīng)費(fèi)4 000萬歐元。KORRIGAN計劃以解決工藝、材料、可靠性、先進(jìn)分裝解決方案及發(fā)熱管理中的若干問題為核心目標(biāo)。以創(chuàng)建獨(dú)立的GaN-HEMT供應(yīng)鏈、為歐洲防務(wù)工業(yè)提供最先進(jìn)的、最可靠的GaN晶圓制備服務(wù)為主要任務(wù)。機(jī)構(gòu)成員共享大量的試驗(yàn)設(shè)備與數(shù)據(jù)來提供工作效率。

2008年，歐洲航天局認(rèn)識到GaN器件在對地觀測、導(dǎo)航、遠(yuǎn)程通信、移動通信等領(lǐng)域都存在巨大的應(yīng)用前景，但歐洲本土當(dāng)時尚無滿足航天工業(yè)需求的GaN器件供應(yīng)商。因此，歐洲航天局啟動了GaN可靠性增長和技術(shù)轉(zhuǎn)移項(xiàng)目（GaN Reliability Enhancement and Technology Transfer Initiative，GREAT2）[10]。GREAT2由歐洲航天局的基礎(chǔ)技術(shù)研究計劃（Basic Technology Research Programme）以及德國和比利時的共性技術(shù)支持計劃（General Support Technology Programme）提供資金支持。第一階段的總經(jīng)費(fèi)預(yù)算約為860萬歐元，主要目標(biāo)是將GaN器件的基礎(chǔ)研究、建模、晶圓制造、器件制造、封裝等各環(huán)節(jié)的統(tǒng)一組織成完整的GaN微波產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)鏈，提供適用于航天航空領(lǐng)域的GaN功率晶體管和GaN-MMIC。

2010年，意法半導(dǎo)體公司作為協(xié)調(diào)人啟動了歐洲LAST POWER項(xiàng)目，協(xié)同德國、法國、意大利、瑞典、波蘭、希臘6國對SiC和GaN關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合公關(guān)。

2011年，歐盟提出了固態(tài)照明推廣和固態(tài)照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略并發(fā)布《照亮未來——加快新型照明技術(shù)利用》綠皮書。

2013年，歐洲啟動NEULAND項(xiàng)目[11]，由德國聯(lián)邦教育和研究部（Federal Ministry of Education and Research，BMBF）提供基金支持，主要目的在于利用基于SiC和GaN-on-Si的創(chuàng)新半導(dǎo)體器件將可再生能源電力并網(wǎng)損耗降低50%。同年推出的“地平線2020”計劃為期7年，歐盟計劃總共投入800億歐元。其中即包括第3代半導(dǎo)體的相關(guān)研發(fā)項(xiàng)目。

2014年，歐盟啟動“面向電力電子應(yīng)用的大尺寸碳化硅襯底及異質(zhì)外延氮化鎵材料”項(xiàng)目。該項(xiàng)目由意法半導(dǎo)體主導(dǎo)，再次協(xié)同德國、法國、意大利、瑞典、波蘭、希臘6國對SiC和GaN關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合攻關(guān)。通過對SiC和GaN功率電子技術(shù)的研發(fā)，攻關(guān)突破高可靠性且高成本效益的技術(shù)，使歐洲成為世界高能效功率芯片研究并商業(yè)化應(yīng)用的最前沿。同年“基于碳化硅襯底的氮化鎵器件和氮化鎵外延曾晶圓供應(yīng)鏈（MANGA）”項(xiàng)目啟動，為歐洲國家GaN基功率電子器件建立供應(yīng)鏈。

歐盟在2017年推出了挑戰(zhàn)（CHALLENGE）項(xiàng)目，聚焦于提升商用600～1 200V SiC器件的功率效率。

三、日本

日本在GaN和SiC襯底的外延、器件制備與應(yīng)用方面已經(jīng)達(dá)到世界領(lǐng)先水平，這與日本政府的多個部門、不同機(jī)構(gòu)通過制定戰(zhàn)略規(guī)劃、聯(lián)合研發(fā)項(xiàng)目、激勵措施等多種形式連續(xù)多年對半導(dǎo)體研發(fā)項(xiàng)目加以巨額投資密不可分。

早在1998年，日本就開始了全球第1個以半導(dǎo)體照明技術(shù)為主的國家發(fā)展計劃——“21世紀(jì)光計劃”[12]。2002年，日本啟動全面支持GaN晶圓評價和分析技術(shù)研究的“氮化鎵半導(dǎo)體低功耗高頻器件開發(fā)”計劃[13]。2008年“日本新一代節(jié)能期間技術(shù)戰(zhàn)略與發(fā)展規(guī)劃”提出[14]，將采用SiC、GaN等寬禁帶半導(dǎo)體器件進(jìn)一步降低功率器件的功耗。2010年的Eco-Point制度投入2 321.4億日元以延長環(huán)保積分制度的執(zhí)行。2014年在“國家硬電子計劃”中將碳化硅襯底的制備與器件外延作為了重點(diǎn)研究課題投以巨資進(jìn)行支持。2016年日本啟動“有助于實(shí)現(xiàn)節(jié)能社會的新一代半導(dǎo)體研究開發(fā)”項(xiàng)目，主要進(jìn)行G a N功率元器件的開發(fā)與應(yīng)用。該項(xiàng)目為期5年，2016年項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)預(yù)算為10億日元。

四、韓國

韓國于2000年制訂了GaN開發(fā)計劃，政府在2004-2008年的4年間投入4.72億美元，企業(yè)也投入7.36億美元以支持韓國進(jìn)行光電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展，使韓國成為亞洲最大的光電子器件生產(chǎn)國。2009年韓國發(fā)布《綠色成長國家戰(zhàn)略》，全力發(fā)展環(huán)保節(jié)能產(chǎn)業(yè)，并致力于使得該產(chǎn)業(yè)成為韓國經(jīng)濟(jì)增長的主要動力之一。在金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）機(jī)臺自制計劃中，韓國于2010-2012年間投入了4 500萬美元以推動MOCVD實(shí)現(xiàn)國內(nèi)自制、引進(jìn)制程自動化系統(tǒng)并開發(fā)高速封裝、監(jiān)測設(shè)備。2016年韓國圍繞Si基GaN和SiC器件啟動功率電子國家項(xiàng)目，同時重點(diǎn)圍繞高純SiC粉末制備、高純SiC多晶陶瓷、高質(zhì)量SiC單晶生長、高質(zhì)量SiC外延材料生長4個方向，開展了國家研發(fā)項(xiàng)目。

目前，不同于第1代、第2代半導(dǎo)體材料及集成電路產(chǎn)業(yè)與國際先進(jìn)水平存在較大差距的情況，我國在第3代半導(dǎo)體領(lǐng)域開展的研究工作處于世界前沿，雖然工程技術(shù)水平較國際先進(jìn)水平有差距，但差距已經(jīng)非常小，在某些領(lǐng)域獲已經(jīng)得領(lǐng)先和比較優(yōu)勢。隨著中國政府支持創(chuàng)新、鼓勵創(chuàng)新力度的不斷加強(qiáng)，國家戰(zhàn)略層面支持力度的持續(xù)加大，我國第3代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)不久必將實(shí)現(xiàn)超越，領(lǐng)跑世界。

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