王兴艳

我国半导体产业长期受制于人，每年进口芯片的支出就超过2 000亿美元，高于进口石油的花费。这种被动局面很大程度上与我国半导体材料技术不强有关。近年来，以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）为代表的第3代半导体材料正在兴起，美国早在2014年就成立了下一代电力电子制造创新学院，重点推进第3代半导体材料的技术研发与应用开发。如何抓住第3代半导体材料发展机会，实现我国半导体产业的弯道超车，值得认真研究。

一、第3代半导体材料已经成为全球半导体产业竞争的焦点

第3代半导体材料具有广阔的发展前景。一是可以制作成高温、高频、抗辐射及大功率等电力电子器件，用于石油和地热钻井勘探、汽车发动机、航空、航天探测、核能开发、卫星、通信、广播电视等国民经济领域。二是可以用于军用飞机、陆地坦克以及高性能雷达系统等军事装备领域。三是它是重要的节能材料，如用在新能源汽车和高铁领域可以降低20%的能耗，用于家电领域可以节能50%，用于工业电机可以节能30%～50%，用于太阳能可以降低25%以上的光电转化损失等。

第3代半导体材料成为发达国家战略部署重点。美国、日本、欧盟等国家和地区均将其置于重要的战略位置，对其投入巨资进行支持。2013年日本政府将SiC纳入“首相战略”，认为未来50%的节能要通过它来实现；2014年1月，美国宣布设立国家下一代电力电子制造业创新学院，5年内将至少投入1.4亿美元，对宽带隙半导体技术进行研究，加速其商业化应用；2016年10月，美国成立半导体工作组，专注于加强美国的半导体产业；2015年英国政府和威尔士政府为卡迪夫大学投资超过2 900万英镑，用于建设新的化合物半导体研究所（ICS），该研究所不仅是下一代化合物半导体技术创新中心的重要组成部分，也是建设欧洲第5个半导体集群战略的关键组成部分。

跨国企业积极布局发展第3代半导体材料。第3代半导体材料吸引了大批国际巨头公司。美国的科锐（Cree）公司、道康宁（Dow Corning）、II-VI公司、国际整流器公司、射频微系统公司、飞思卡尔（Freescale）半导体公司，德国的SiCrystal公司和Azzurro公司，英国的普莱思公司，日本的富士通公司和松下公司，加拿大的氮化镓系统公司等，纷纷开展第3代半导体材料产业化及应用技术研发工作，以期在未来半导体市场竞争中继续保持有利地位。

我国发展第3代半导体材料具有紧迫性。当前美国和日本等国正积极资助第3代半导体材料的应用。如2014年美国能源部向先进功率电子器件及电动车项目投入6 900万美元；特斯拉Model S采用SiC替代Si制成的新电力电子产品，电力节省了20%，电池成本降低了6 000多美元，约车辆成本的8%。日本政府资助丰田、本田等车企和大学联合应用研发。近几年，德国、瑞士、日本利用SiC等第3代半导体材料已经开发了先进的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）功率半导体模块，全球年市场规模可达50亿美元。我国的该类模块产品还停留在研发阶段，下游应用停留在传统模块，如不加快第3代半导体材料应用开发，将使我国继续重蹈第1代、第2代半导体发展受制于人、下游应用领域高度依赖进口的被动局面。

二、我国第3代半导体材料发展现状及问题

产业链初步形成，但企业规模偏小。目前，我国在SiC领域已经拥有了北京天科合达半导体股份有限公司（以下简称“天科合达”）、泰科天润半导体科技（北京）有限公司、中国电子科技集团公司第五十五研究所、国网智能电网研究院、扬州扬杰电子科技股份有限公司等企业和研究机构，初步形成了从SiC单晶材料制备、外延材料生长到器件制作及封装测试，再到电力电子系统应用的SiC全产业链。但产业规模仍很小，产业还处于起步阶段，如天科合达2～4英寸SiC晶片的产能仅7万片/年，美国Cree的产能按6英寸折算约为80万～100万片/年，约占全球市场的80%。

部分材料技术已现赶超之势，但关键瓶颈亟待突破。目前，我国第3代半导体材料在研发和产业化方面取得很大成就。如在碳化硅半导体衬底领域，山东天岳晶体材料有限公司已经具备批量生产4英寸高品质的半绝缘和导电性衬底材料的能力，跻身世界10强。但要抓住赶超时机，还需要解决制约产业发展的一些关键问题。如SiC晶片价格昂贵大大限制其推广应用；关键技术装备研发不足导致产业发展遭受“卡脖子”等。

产学研用创新体系初步建立，协同发展机制仍不完善。2013年成立的中国宽禁带功率半导体产业联盟，2015年成立的第3代半导体产业技术创新战略联盟，以及2016年成立的第3代半导体材料及应用联合创新基地，都吸纳了大学、科研机构和企业加盟，并获得了政府支持，为我国第3代半导体材料实现技术创新搭建了发展平台。但平台要实现高效运作，还有许多问题需要逐步解决，如项目合作为主导的运作模式，由于企业认识不足和研发投入所限，导致项目目标短期化，科技成果转化率低。各参与方的统筹协调机制不健全，国家对产学研用结合的支持政策特别是投融资的政策不完备，影响了联盟作用的发挥。

三、发展建议

强化政策扶持引导。一是加强顶层设计。设立重大专项，快速、有序地部署和推进我国第3代半导体材料产业布局和应用。二是将第3代半导体材料纳入强基工程，开展第3代半导体元器件的示范应用，积极拓展SiC、GaN在电动及混合动力交通设施、可再生能源、电网、储能等领域的应用。三是加大对第3代半导体材料的研发、产业化及应用推广等环节的支持力度，特别是探索产学研用一体化的政策和资金支持方式，如由“企业+高校+科研+用户”作为一个整体申请并实施政府项目。

切实发挥联盟作用。以联盟为抓手，围绕产业链构建创新链。发挥联盟的纽带作用，促进联盟成员的技术交流，组织企业、高校和科研机构的科研人员和技术骨干成立研发团队，实现协同创新。紧密围绕产业链条发展和关键共性技术，重点研发第3代半导体低成本生产技术和功率器件及模块、栅极驱动的开发与生产技术，加快器件的可靠性、测试与故障分析，推进产品的商业化，促进产业链的协同发展。

深化国际交流合作。一是积极推动国内外相关院校、科研机构、企业开展国际交流合作。如积极组织国际学术论坛，及时掌握技术前沿及发展动态；建立国际联合研发机构，构建全球化创新网络；鼓励国内外企业组建战略技术联盟，通过相互学习、合作创新，开拓企业发展空间。二是积极鼓励有实力的企业到海外设立研发机构，吸引海外技术人才加入，组建海外研发团队。三是积极推动创新投资的全球化，鼓励我国企业研发投入面向全球，实现创新资源的全球开发及利用。