江洪 刘义鹤 张晓丹

相比第1代与第2代半导体材料，第3代半导体材料是具有较大禁带宽度（禁带宽度>2.2eV）的半导体材料。第3代半导体主要包括碳化硅（SiC）、氮化铝（AlN）、氮化镓（GaN）、金刚石、氧化锌（ZnO），其中，发展较为成熟的是SiC和GaN。第3代半导体材料在导热率、抗辐射能力、击穿电场、电子饱和速率等方面优势突出，因此更适用于高温、高频、抗辐射的场合。

随着SiC、GaN器件的制备工艺逐步成熟，其生产成本也在不断降低，第3代半导体正以其优良的性能突破传统硅基材料的瓶颈，逐步进入硅基半导体市场，有望引领新一轮产业革命。因此，世界各国纷纷开始制定计划，大力发展第3代半导体产业。

一、美国

美国已经将部署第3代半导体战略提高到国家层面，以确立在这一领域对世界的绝对优势地位。自2000年以来，美国国防部、能源部、科学技术委员会及其部分产学研机构纷纷制订有关GaN、SiC等半导体材料的开发项目，聚焦于电子器件、光电子器件和柔性电子器件研究、开发的政策与措施。

2002年，美国国防先进研究计划局（DARPA）启动并实施了“宽禁带半导体技术计划（WBGSTI）”[1]。该计划第1阶段在2002-2004年，期间将市售SiC衬底直径由2英寸增加到3英寸，同时开展4英寸SiC衬底的研究，并于2006年实现了商品化。美国科锐（Cree）公司进一步推进了GaN基高功率、高效X波段器件研制。在计划第1阶段内还成功开发出场电极技术（field-plates），使电力电子器件获得极高的击穿电压和输出功率。计划第2阶段为2005-2007年，主要实现GaN基高可靠性、高性能微波与毫米波器件的工程化生产。第3阶段于2008-2009年实施，主要研制GaN基高可靠性、高性能单芯片毫米波集成电路（MMIC）。第2、3阶段期间建立了MMIC的全面设计、生产与封装技术。

2010年美国推出“宽禁带半导体技术创新计划”，主要推动高性能SiC、GaN材料应用与各种商用系统的开发，这些系统包括雷达、武器、电子通信与对抗等。

2011年，DARPA/MTO赞助并发起了氮化物电子下一代技术（Nitride Electronic Next Generation Technology，NEXT）计划[2]，主要推动GaN材料在高频领域的应用。期间演示了300GHz D模式和200GHz E模式高迁移率场效应管（HEMT），同时保持击穿电压和晶体管截止频率乘积大于5THz·Volt。NEXT程序的最终目标是实现用于混合信号应用的1000-晶体管、高输出、500GHz E/D模式GaN技术。同年，美国能源部提出下一代照明光源计划（NGLI）和固态照明研发计划（SSL）。其中，NGLI项目为期10年，耗资5亿美元，旨在用固态光源替代传统灯泡。SSL计划中的多年研发项目计划（MYPP）则提出了LED封装价格和性能的发展规划。

2012年美国国家科学技术委员会发布了《国家先进制造战略规划》[3]，在其“协调联邦投资的先进材料”部分提出了在纳米级、生物级、智能级及复合材料等方面进行投资，国家标准技术研究院开展了“下一代材料测量、建模及仿真计划”。同年提出的《国家制造也创新网络（NNMI）》[4]中，在建成的9座创新中心中有3家涉及第3代半导体研发。

2013年，美国能源先期研究计划局（ARPA-E）提出了《控制高效系统的宽禁带半导体低成本晶体管战略（SWITCHES）》[5]。ARPA-E将向14个项目投资共计2 700万美元，以开发下一代功率转换器件，使电网中控制和转换电能的方式发生巨大变革。

奥巴马政府于2014年7月提出：在2022年前将再建立45个制造业创新中心（IMIs），美国将开启“下一代电力电子技术国家制造业创新中心”的建设[6]。并为这一目标提供强有力的政策支持，《国情咨文》宣布以10亿美元的投资创建15个IMIs。电力电子技术国家制造业创新中心的建立目标是加速、加强宽带隙半导体技术的研发和产业化，从而使美国迅速占领涵盖范围广的应用领域市场。这些市场分布包含传统市场和规模与发展速度最大、最快的新兴市场，从家用电器小型领域到工业设备制造大型领域，从电信技术到清洁能源技术等，下一代电力电子市场为美国创造出一大批高收入就业岗位。

2015年，美國国家科学基金会和美国能源部对阿肯色大学国家可靠电力传输中心的SiC技术项目提供了资助。此研究是美国国家科学基金会“建立创新能力项目”的一部分，APEI公司重点在开发电力系统中的SiC电路，同年阿肯色大学成功研发出工作温度超过350℃的SiC基集成电路，并致力于将其推向商业化。此后美国陆军坦克研究和发展工程中心于2015年12月和2016年3月分别向通用电气公司航空部门签署了价值340万美元和210万美元的2项SiC基功率电子器件合同，以其资助研发并向其采购SiC基功率电子器件。

2015年9-10月，美国专家举行了有关固态照明的会议，2016年2月能源部建立固态照明研发工作室，同年美国更新了《固态照明计划》[7]。这一系列举措确定了为美国未来3年LED及OLED照明解决方案增加价值的意见，即以宽禁带半导体技术为基础，提高光效、消除使用的障碍、降低成本，并且驱动、优先考虑特定技术研发的应用。在《确保美国在半导体领域的长期领导地位》[8]报告中指出，要“通过在尖端领域的持续创新，美国才能减少由中国产业政策所带来的威胁，以增强美国经济”，并成立了半导体公共组织，以加强半导体产业发展，使国家经济和安全受益。

二、欧盟

欧盟作为欧洲的经济和政治共同体，在制定第3代半导体发展规划上以联合研发项目为主，以对各个成员国的资金、人才、技术优势进行优化配置，使欧洲在半导体领域保持国际领先水平。

2005年，欧盟推出了由欧洲防卫机构资助的面向国防和商业应用的“GaN集成电路研发核心机构（Key Organization for Research on Integrated Circuits in GaN，KORRIGAN）计划”[9]，为期4年，总经费4 000万欧元。KORRIGAN计划以解决工艺、材料、可靠性、先进分装解决方案及发热管理中的若干问题为核心目标。以创建独立的GaN-HEMT供应链、为欧洲防务工业提供最先进的、最可靠的GaN晶圆制备服务为主要任务。机构成员共享大量的试验设备与数据来提供工作效率。

2008年，歐洲航天局认识到GaN器件在对地观测、导航、远程通信、移动通信等领域都存在巨大的应用前景，但欧洲本土当时尚无满足航天工业需求的GaN器件供应商。因此，欧洲航天局启动了GaN可靠性增长和技术转移项目（GaN Reliability Enhancement and Technology Transfer Initiative，GREAT2）[10]。GREAT2由欧洲航天局的基础技术研究计划（Basic Technology Research Programme）以及德国和比利时的共性技术支持计划（General Support Technology Programme）提供资金支持。第一阶段的总经费预算约为860万欧元，主要目标是将GaN器件的基础研究、建模、晶圆制造、器件制造、封装等各环节的统一组织成完整的GaN微波产品产业链，提供适用于航天航空领域的GaN功率晶体管和GaN-MMIC。

2010年，意法半导体公司作为协调人启动了欧洲LAST POWER项目，协同德国、法国、意大利、瑞典、波兰、希腊6国对SiC和GaN关键技术进行联合公关。

2011年，欧盟提出了固态照明推广和固态照明产业发展战略并发布《照亮未来——加快新型照明技术利用》绿皮书。

2013年，欧洲启动NEULAND项目[11]，由德国联邦教育和研究部（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的创新半导体器件将可再生能源电力并网损耗降低50%。同年推出的“地平线2020”计划为期7年，欧盟计划总共投入800亿欧元。其中即包括第3代半导体的相关研发项目。

2014年，欧盟启动“面向电力电子应用的大尺寸碳化硅衬底及异质外延氮化镓材料”项目。该项目由意法半导体主导，再次协同德国、法国、意大利、瑞典、波兰、希腊6国对SiC和GaN关键技术进行联合攻关。通过对SiC和GaN功率电子技术的研发，攻关突破高可靠性且高成本效益的技术，使欧洲成为世界高能效功率芯片研究并商业化应用的最前沿。同年“基于碳化硅衬底的氮化镓器件和氮化镓外延曾晶圆供应链（MANGA）”项目启动，为欧洲国家GaN基功率电子器件建立供应链。

欧盟在2017年推出了挑战（CHALLENGE）项目，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衬底的外延、器件制备与应用方面已经达到世界领先水平，这与日本政府的多个部门、不同机构通过制定战略规划、联合研发项目、激励措施等多种形式连续多年对半导体研发项目加以巨额投资密不可分。

早在1998年，日本就开始了全球第1个以半导体照明技术为主的国家发展计划——“21世纪光计划”[12]。2002年，日本启动全面支持GaN晶圆评价和分析技术研究的“氮化镓半导体低功耗高频器件开发”计划[13]。2008年“日本新一代节能期间技术战略与发展规划”提出[14]，将采用SiC、GaN等宽禁带半导体器件进一步降低功率器件的功耗。2010年的Eco-Point制度投入2 321.4亿日元以延长环保积分制度的执行。2014年在“国家硬电子计划”中将碳化硅衬底的制备与器件外延作为了重点研究课题投以巨资进行支持。2016年日本启动“有助于实现节能社会的新一代半导体研究开发”项目，主要进行G a N功率元器件的开发与应用。该项目为期5年，2016年项目经费预算为10亿日元。

四、韩国

韩国于2000年制订了GaN开发计划，政府在2004-2008年的4年间投入4.72亿美元，企业也投入7.36亿美元以支持韩国进行光电子产业发展，使韩国成为亚洲最大的光电子器件生产国。2009年韩国发布《绿色成长国家战略》，全力发展环保节能产业，并致力于使得该产业成为韩国经济增长的主要动力之一。在金属有机化学气相沉积（MOCVD）机台自制计划中，韩国于2010-2012年间投入了4 500万美元以推动MOCVD实现国内自制、引进制程自动化系统并开发高速封装、监测设备。2016年韩国围绕Si基GaN和SiC器件启动功率电子国家项目，同时重点围绕高纯SiC粉末制备、高纯SiC多晶陶瓷、高质量SiC单晶生长、高质量SiC外延材料生长4个方向，开展了国家研发项目。

目前，不同于第1代、第2代半导体材料及集成电路产业与国际先进水平存在较大差距的情况，我国在第3代半导体领域开展的研究工作处于世界前沿，虽然工程技术水平较国际先进水平有差距，但差距已经非常小，在某些领域获已经得领先和比较优势。随着中国政府支持创新、鼓励创新力度的不断加强，国家战略层面支持力度的持续加大，我国第3代半导体产业不久必将实现超越，领跑世界。

参考文献

[1] 李耐和.宽禁带半导体技术[J].电子产品世界，2005（9）：88-92.

[2] DARPA.Nitride Electronic Next Generation Technology[EB/OL].[2017-07-19].http：//www.darpa.mil/program/ nitride-electronic-next-generation-technology.

[3] White House.FACT SHEET：White House Advanced Manufacturing Initiatives to Drive Innovation and Encourage Companies to Invest in the United[EB/OL].[2017-07-19].https：//obamawhitehouse.archives.gov/the-pressoffice/2012/07/17/fact-sheet-white-house-advanced-manufacturing-initiatives-drive-innovati.

[4] Manufacturing USA-the National Network for Manufacturing Innovation[EB/OL].[2017-07-19].http：//www. manufacturing.gov/nnmi/.

[5] ARPA-E.Strategies for Wide-Bandgap， Inexpensive Transistors for Controlling High-Efficiency Systems[EB/OL].[2017-07-19].http：//arpa-e.energy.gov/ q=arpa-e-programs/switches.

[6] U.S.Department of Energy.Next generation power electronics manufacturing innovation institute[EB/OL].[2017-07-19]. https：//energy.gov/articles/factsheet-next-generation-power-electronics-manufacturing-innovation-institute.

[7] U.S.Department of Energy.Solid State lighting[EB/OL].[2017-07-19].http：//energy.gov/eere/ssl/downloads/solidstate-lighting-2016-rd-plan.

[8] Ensuring Long-Term U.S.Leadership in Semiconductors[EB/OL].[2017-07-19].http：//obamawhitehouse.archives.gov/ sites/default/files/microsites/ostp/PCAST/pcast_ensuring_long-term_us_leadership_in_semiconductors.pdf.

[9] Korrigan.Key Organization for Research on Integrated Circuits in GaN[EB/OL].[2017-07-19].http：//www.reveyrand. com/publications/54.pdf.

[10] GaN Reliability Enhancement and Technology Transfer Initiative[EB/OL].[2017-07-19].http：//escies.org/download/ webDocumentFile id=63411.

[11] NEULANDs Structure[EB/OL].[2017-07-19].http：//www.neuland-fleisch.de/verein/short-english-introductionto-neuland/neulands-structure.html.

[12] 探究日本LED政策“21世紀光计划”——从推动技术研发向培育需求市场的转变[J].广东科技，2011，20（9）：79-82.

[13] 孙再吉.日本NEDO的“氮化物半导体低功耗高频器件开发”计划的实施[J].半导体信息，2008（4）：9-10.

[14] 杜祥瑛.日本新一代节能器件技术战略与发展规划[J].电力电子，2009（1）：34-37.