第三代半導(dǎo)體是通過半導(dǎo)體新材料技術(shù)突破和性能提升實現(xiàn)顛覆式器件和系統(tǒng)的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，具有戰(zhàn)略性和市場性雙重特征，當前材料正在全面突破，應(yīng)用驅(qū)動市場將全面開啟，是推動移動通信、新能源汽車、高速列車、智能電網(wǎng)、新型顯示、通信傳感等產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展和轉(zhuǎn)型升級的新引擎，是實現(xiàn)“雙碳”目標、“東數(shù)西算”戰(zhàn)略和保障國家產(chǎn)業(yè)安全的重要支撐。

 

　 第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟理事長吳玲在接受中國經(jīng)濟時報記者專訪時認為，第三代半導(dǎo)體有緊迫的國家戰(zhàn)略需求和明確應(yīng)用目標導(dǎo)向，任務(wù)覆蓋鏈條長、應(yīng)用范圍廣、跨領(lǐng)域跨學(xué)科，需要立足全國一盤棋、全鏈條設(shè)計、一體化實施，把項目、人才、平臺、基地和產(chǎn)業(yè)金融等資源有效整合。當前正值新的地緣政治下全球半導(dǎo)體競爭力重構(gòu)的歷史關(guān)鍵期，需要從國家層面制定實施精準、持續(xù)、穩(wěn)定的第三代半導(dǎo)體發(fā)展戰(zhàn)略和支持政策，才能在核心技術(shù)突破的同時建立產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新體系，形成若干龍頭品牌企業(yè)，提升我國在全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的話語權(quán)。

應(yīng)用需求驅(qū)動技術(shù)創(chuàng)新，抓機遇、迎變革、筑長板

 

 

吳玲：半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是新的地緣政治下全球競爭焦點，是國家高技術(shù)實力、經(jīng)濟安全、國防能力、國際競爭力的主要標志，經(jīng)過60多年的發(fā)展，全球半導(dǎo)體材料出現(xiàn)了三次突破性的發(fā)展進程。第一代半導(dǎo)體興起于上世紀50年代，以硅（Si）、鍺（Ge）等元素半導(dǎo)體為主要代表，其典型應(yīng)用是超大規(guī)模集成電路芯片，是人類進入信息社會的基石，迄今依然在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中處于主導(dǎo)地位。第二代半導(dǎo)體興起于上世紀70年代，以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）為代表的化合物半導(dǎo)體，彌補了Si材料在發(fā)光和高速輸運性質(zhì)上的局限，應(yīng)用于長波長光電子（紅外）和微波射頻電子技術(shù)，是人類進入光通信和移動通訊時代的基礎(chǔ)。

 

第三代半導(dǎo)體興起于上世紀90年代初，以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）等帶隙寬度明顯大于硅（Si）和砷化鎵（GaAs）的寬禁帶半導(dǎo)體材料為代表，具備擊穿電場高、熱導(dǎo)率大、電子飽和漂移速率高、抗輻射能力強等優(yōu)越性能，功率芯片將大幅提升特高壓柔性電網(wǎng)、高速列車、新能源汽車、工業(yè)電機、智能制造等新興產(chǎn)業(yè)的能源利用效率和智能化水平，射頻芯片支撐5G/6G通信重要的核心數(shù)據(jù)傳輸功能，滿足綠色發(fā)展、智能制造等國家重大戰(zhàn)略需求，對新興產(chǎn)業(yè)的帶動面廣、拉動性強。

 

從國際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢來看，隨著硅半導(dǎo)體材料主導(dǎo)的摩爾定律逐漸走向其物理極限，同時硅也滿足不了微波射頻、高效功率電子和光電子等新需求快速發(fā)展的需要，以化合物半導(dǎo)體材料，特別是第三代半導(dǎo)體材料為代表的半導(dǎo)體新材料快速崛起，未來10年將對國際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)格局的重塑產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。

 

當前國際第三代半導(dǎo)體材料、器件實現(xiàn)了從研發(fā)到規(guī)模性量產(chǎn)的成功跨越，已進入產(chǎn)業(yè)化快速發(fā)展階段，在新能源汽車、高速列車、5G通信、光伏并網(wǎng)、消費類電子等多個重點應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了突破，未來5年將是第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵期，全球資本加速進入第三代半導(dǎo)體材料、器件領(lǐng)域，產(chǎn)能大幅度提升，企業(yè)并購頻發(fā)，正處于產(chǎn)業(yè)爆發(fā)前的“搶跑”階段。美國、日本、歐洲等發(fā)達國家在已有半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，通過設(shè)立國家級創(chuàng)新中心、產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟等形式，引領(lǐng)、加速并搶占全球第三代半導(dǎo)體市場。我國第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域在國家科技計劃的支持下，初步形成了從材料、器件到應(yīng)用的全產(chǎn)業(yè)鏈，但整體產(chǎn)業(yè)競爭力不強，可持續(xù)發(fā)展的能力較弱。

 

半導(dǎo)體照明自主可控，光電子與微電子深度融合，跨界創(chuàng)新應(yīng)用有望引領(lǐng)發(fā)展。國內(nèi)LED產(chǎn)業(yè)經(jīng)過近20年的發(fā)展，已成為全球最大的生產(chǎn)、消費和出口國，2021年我國半導(dǎo)體照明產(chǎn)值7773億元，芯片國產(chǎn)化率接近80%，Si基LED芯片技術(shù)處于國際領(lǐng)先。隨著光電子技術(shù)的發(fā)展，不斷催生Micro-LED、深紫外LED等新興產(chǎn)業(yè)，面臨著與微電子技術(shù)以及光生物、光健康、光治療等跨界技術(shù)的融合，涉及到跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的技術(shù)開發(fā)及協(xié)同創(chuàng)新方面的挑戰(zhàn)。深紫外方面研發(fā)水平基本與國際同步，但在點缺陷控制、光模式調(diào)控、高場擊穿調(diào)控等方面與美日水平相差3-5年。深紫外LED已在新冠肺炎疫情防治的公共安全領(lǐng)域開展示范應(yīng)用。目前小功率芯片已規(guī)?；慨a(chǎn)，但外量子效率與美國、日本有較大差距，高端芯片產(chǎn)品主要依賴進口。在Micro-LED方面，我國GaN基紅光Micro-LED研究水平國際領(lǐng)先，藍、綠光Micro-LED芯片效率基本與國際同步，在巨量轉(zhuǎn)移等方面與國際水平有3-5年的差距。

 

微波射頻開始國產(chǎn)替代，部分技術(shù)達到國際先進水平?；诘谌雽?dǎo)體材料的微波射頻芯片是通信裝備的核心基礎(chǔ)，在5G通信移動基站實現(xiàn)6GHz以下產(chǎn)品小批量供應(yīng)，解決了中興、華為的燃眉之急，實現(xiàn)近10萬只GaN功放管銷售，2020年國內(nèi)宏站用氮化鎵射頻器件國產(chǎn)化率超過20%。我國目前在材料應(yīng)力控制、熱管理、線性度、超高頻器件、可靠性等方面與美國等還有3-5年的差距，材料和器件制備關(guān)鍵裝備部分依賴國外。預(yù)計2023年進入毫米波頻段商用，集成功放、低噪放、開關(guān)功能，國內(nèi)目前還不具備產(chǎn)業(yè)化能力。6G已啟動預(yù)研，太赫茲頻段進入技術(shù)論證和研究階段，預(yù)計2030年實現(xiàn)商用。

 

功率電子契合國家“雙碳”戰(zhàn)略，需求拉動產(chǎn)業(yè)鏈能力提升，但車規(guī)級、電網(wǎng)級高端產(chǎn)品與國際先進水平仍有較大差距。以新能源大規(guī)模開發(fā)利用和新型用電設(shè)施廣泛發(fā)展為標志的新一輪能源革命蓬勃興起。當前能源技術(shù)革命已經(jīng)從電力高端裝備的發(fā)展逐步向由材料革命的發(fā)展來帶動和引領(lǐng)。在建設(shè)新能源為主體的新型電力系統(tǒng)中，碳化硅是目前已知的可達到萬伏千安等級（特高壓柔性直流輸電必需）的唯一的功率半導(dǎo)體材料，可實現(xiàn)電力電子裝置的小型化和模塊化（體積減小40%，能量損耗減少50%），大幅提高能源互聯(lián)網(wǎng)的可靠性、可控性，推動傳統(tǒng)電網(wǎng)向半導(dǎo)體電網(wǎng)發(fā)展。5G基站、數(shù)據(jù)中心等新型用電設(shè)施的大規(guī)模建設(shè)運行，能耗問題已成為主要瓶頸（電費占運行成本一半），發(fā)展基于第三代半導(dǎo)體材料的高效電能轉(zhuǎn)換技術(shù)刻不容緩，可使5G基站和數(shù)據(jù)中心電源變換損耗減少30%。

 

2021年，我國第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)電力電子（SiC、GaN）產(chǎn)值規(guī)模達58億元，同比增長29.6%，新能源汽車（含充電樁）是未來5年最大驅(qū)力，消費電子、PV光伏市場也保持高速增長。在碳化硅材料方面，國際上6英寸是主流技術(shù)，正在發(fā)展8英寸，美國Cree、意法半導(dǎo)體等已發(fā)布8英寸SiC襯底產(chǎn)品，預(yù)計未來3年將啟動規(guī)模應(yīng)用。目前我國已實現(xiàn)4英寸SiC襯底材料產(chǎn)業(yè)化，6英寸小批量試用。實現(xiàn)600-1700VSiC二極管量產(chǎn)，開發(fā)出1200-3300VSiCMOSFET小批量產(chǎn)品，已經(jīng)在充電樁、光伏、車載充電器等中小功率領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用。比亞迪、蔚來、小鵬等車企均推出車型采用全SiC模塊的電機驅(qū)動控制器，其中比亞迪漢已銷售10萬輛，預(yù)計到2023年，SiC將全面替代Si的IGBT。與國際上相比，我國在技術(shù)成熟度、產(chǎn)業(yè)化能力、產(chǎn)業(yè)鏈配套方面都存在較大差距，產(chǎn)業(yè)整體的技術(shù)水平落后世界先進水平5年左右。比如新能源汽車電驅(qū)動核心功率芯片被國外的大公司所壟斷（如英飛凌、Cree等），美國Cree等公司占有全球SiC襯底材料產(chǎn)量的70%以上。另外目前國內(nèi)產(chǎn)線產(chǎn)業(yè)化水平和能力仍然滿足不了產(chǎn)業(yè)應(yīng)用需求，成為當前產(chǎn)業(yè)鏈主要短板。

 

摩爾定律主導(dǎo)的技術(shù)以硅材料為核心，以馮·諾依曼架構(gòu)為基礎(chǔ)，以幾何尺寸縮小和器件效能提升為標志，已逐漸趨近物理極限。以第三代半導(dǎo)體為代表的化合物半導(dǎo)體側(cè)重于功能的多樣化，由應(yīng)用需求驅(qū)動，為未來低碳、智能化社會發(fā)展提供了更多技術(shù)解決方案。同時物理學(xué)、材料科學(xué)、量子科學(xué)及微納加工技術(shù)不斷發(fā)展，為半導(dǎo)體信息器件提供了新的發(fā)展維度，衍生出基于新原理、新材料的顛覆性器件。超寬禁帶半導(dǎo)體、自旋電子學(xué)材料等半導(dǎo)體新材料全球處于競爭初期，我國與國際基本同步，亟須持續(xù)加緊布局。

 

盡管我國在第三代半導(dǎo)體技術(shù)和產(chǎn)業(yè)方面與國際有一定的差距，但中國在第三代半導(dǎo)體的應(yīng)用需求和制度安排上有戰(zhàn)略優(yōu)勢，應(yīng)用驅(qū)動的發(fā)展模式有利于中國這種制造和市場大國。中國引領(lǐng)的全球能源互聯(lián)網(wǎng)、高速軌道交通、新能源汽車、5G移動通信、消費電子等應(yīng)用市場，都離不開第三代半導(dǎo)體的支撐。相較硅集成電路，第三代半導(dǎo)體材料對芯片性能起決定性作用，芯片制造工藝門檻相對低、投資小，對尺寸線寬、設(shè)計復(fù)雜度的要求遠低于硅集成電路，在材料、裝備、設(shè)計和芯片代工方面都有一些發(fā)展勢頭很好的企業(yè)，打破封鎖的可能性更大，是最適合中國目前發(fā)力的半導(dǎo)體具體領(lǐng)域。

 

 

 

吳玲：當前以美國為主導(dǎo)的逆全球化浪潮加劇，信息安全、產(chǎn)業(yè)鏈安全、產(chǎn)業(yè)升級等多因素驅(qū)動，我國亟須擺脫對半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈高度的對外依賴。我國產(chǎn)業(yè)面臨的主要問題與挑戰(zhàn)如下。

 

第一，產(chǎn)業(yè)鏈條不通、迭代研發(fā)不夠、資源整合不足。半導(dǎo)體在應(yīng)用系統(tǒng)中成本占比低，但性能和可靠性要求高，特別是汽車、高鐵、電網(wǎng)等高可靠性要求行業(yè)，國產(chǎn)材料和器件進入應(yīng)用供應(yīng)鏈難度大、周期長，沒有機會通過應(yīng)用驗證進行迭代研發(fā)，產(chǎn)業(yè)化能力提升慢。我國企業(yè)普遍小、散、弱，研發(fā)力量分散，低水平同質(zhì)競爭。中試階段迭代成本高，缺乏全鏈條的配套與整合能力，特別是涉及跨學(xué)科、跨鏈條、顛覆式技術(shù)路線的創(chuàng)新難度大，單靠企業(yè)力量很難實現(xiàn)，需要有強有力的牽頭主體統(tǒng)籌組織形成全鏈條協(xié)同。

 

第二，開放的研發(fā)中試平臺缺位，質(zhì)量評價體系落后。共性技術(shù)需要開放的、高水平的硬件平臺支撐大中小企業(yè)融通聯(lián)合研發(fā)，材料要被市場接受，需要解決可靠性、測試評價、標準等問題。雖然目前個別科研院所的平臺有一定的功能，但設(shè)備條件不足、開放性不夠、缺乏持續(xù)的資金支持。單獨企業(yè)建立的平臺開放性不夠、鏈條覆蓋少，特別是同行競爭企業(yè)很難使用。標準、檢測認證等能力也跟不上，質(zhì)量評價體系落后。比如車規(guī)級功率器件國內(nèi)車企基本等同采用英飛凌等國際大公司的企業(yè)標準，對國產(chǎn)材料和器件缺乏統(tǒng)一的評價方法、標準和第三方測評機構(gòu)，導(dǎo)致國產(chǎn)化推進慢、配合意愿度低。

 

第三，“政產(chǎn)學(xué)研用金”聯(lián)動的科研攻關(guān)組織模式尚待完善。第三代半導(dǎo)體材料和器件既有面向電網(wǎng)、高鐵等壟斷行業(yè)的高端定制化產(chǎn)品需求，也有面向新能源、智能制造、消費類電子、新能源汽車等市場充分競爭的多樣化產(chǎn)品需求。目前國內(nèi)企業(yè)或科研機構(gòu)只能覆蓋個別環(huán)節(jié)，在央地協(xié)同、政企結(jié)合、研產(chǎn)融合、國際合作的技術(shù)創(chuàng)新體系閉環(huán)方面能力不足，特別是在與國家重大科技項目部署銜接方面，需要與第三方組織建立協(xié)同一致的創(chuàng)新機制和利益共同體的連接機制。

 

 

 

吳玲：我認為，加快提升我國第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈現(xiàn)代化水平，可以從以下幾個方面發(fā)力。

 

第一，聚焦國家戰(zhàn)略，重大項目牽引，凝聚創(chuàng)新合力。盡快啟動國家2030重大項目和材料國家實驗室，建設(shè)戰(zhàn)略定位高端、組織運行開放、創(chuàng)新資源聚集的平臺和國家戰(zhàn)略科技力量，創(chuàng)建重大項目、創(chuàng)新中心、產(chǎn)業(yè)基地、基金一體化組織模式，發(fā)揮新型舉國體制優(yōu)勢，統(tǒng)籌規(guī)劃、多措并舉、協(xié)同創(chuàng)新形成合力。引入專業(yè)第三方參與組織、協(xié)調(diào)和管理，建立清晰的管理界面，以及動態(tài)管理和考核辦法。針對不同細分領(lǐng)域建立目標明確、權(quán)責(zé)清晰、體系化任務(wù)型的產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)合體，集中力量，突破核心材料和裝備制約，打通堵點、斷點，形成產(chǎn)學(xué)研用緊密合作、大中小企業(yè)融通發(fā)展跨學(xué)科、跨領(lǐng)域、跨區(qū)域協(xié)同創(chuàng)新的局面。建立軍轉(zhuǎn)民協(xié)同創(chuàng)新模式，加強以應(yīng)用為目標的基礎(chǔ)材料、設(shè)計、工藝、裝備、封測、標準等國家體系化能力建設(shè)，引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)集群化發(fā)展。

 

第二，應(yīng)用促發(fā)展，培育龍頭，加速產(chǎn)業(yè)化能力提升。發(fā)揮大市場優(yōu)勢，以應(yīng)用促發(fā)展，建立技術(shù)供給與市場化拉動一體化的實施機制，選取新能源汽車及充電設(shè)施、智能電網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心電源、5G通信設(shè)施等新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)典型應(yīng)用場景，以“百城億芯”示范工程推動新技術(shù)新產(chǎn)品落地，通過中央與地方政府投入，帶動企業(yè)和社會資本投入，加快迭代研發(fā)，打通產(chǎn)業(yè)鏈條，降低企業(yè)創(chuàng)新應(yīng)用門檻。完善材料測試評價方法和標準，搭建國家級測試驗證和生產(chǎn)應(yīng)用示范平臺。培育細分領(lǐng)域國際龍頭品牌企業(yè)，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)布局和產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)，不斷增強國家自主可控的技術(shù)鏈和產(chǎn)業(yè)鏈，提升我國產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新能力和國際競爭力。

 

第三，多措并舉，完善產(chǎn)業(yè)生態(tài)發(fā)展環(huán)境。面向具有戰(zhàn)略性和市場性雙重特征、顛覆性技術(shù)還未形成規(guī)?；瘧?yīng)用的新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，支持產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟作為第三方非營利實體，組織牽頭創(chuàng)新聯(lián)合體群，構(gòu)建科技資本鏈網(wǎng)，實現(xiàn)國家信用對研發(fā)鏈、產(chǎn)業(yè)鏈和資本鏈的拉動，對產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)質(zhì)企業(yè)和研發(fā)平臺進行篩選，通過承接重大項目、基金投資等注入國家信用，在財政、稅收、金融、人才、法律、知識產(chǎn)權(quán)各方面得到政策支持。引導(dǎo)各類資本參與創(chuàng)新項目的市場化、規(guī)?；糯?，引導(dǎo)下游市場鏈資金以投資方式反哺上游研發(fā)鏈，實現(xiàn)良性循環(huán)。引進和培育由戰(zhàn)略性領(lǐng)軍人才、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才，特別是成熟的工程技術(shù)人才和青年人才等各類創(chuàng)新人才隊伍的人才體系。注重知識產(chǎn)權(quán)戰(zhàn)略，鼓勵專利運營，建立有競爭力的專利池。構(gòu)建有序開放的技術(shù)標準與檢測認證服務(wù)體系，主動參與國際標準制訂，提高國際標準話語權(quán)。打造多主體、全鏈條、系統(tǒng)化的產(chǎn)業(yè)體系與生態(tài)，完善發(fā)展環(huán)境。

 

第四，開放創(chuàng)新，推進精準深入的國際合作。因勢利導(dǎo)把握契機，加快鞏固中歐科技合作，系統(tǒng)性的、最大限度地利用好歐洲在若干半導(dǎo)體領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，聚集全球創(chuàng)新資源。吸引國外有基礎(chǔ)、有意愿與中國深化合作的優(yōu)質(zhì)科技企業(yè)落地中國，帶動本土產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，推動中國企業(yè)與全球產(chǎn)業(yè)鏈的緊密合作，開展常態(tài)化海外項目的輸送與技術(shù)轉(zhuǎn)移。如西歐（荷蘭、德國、意大利、法國等）、北歐（瑞典、丹麥、芬蘭等）、東歐（波蘭、匈牙利等）等在產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)均具備技術(shù)特色和優(yōu)勢，但這些國家普遍存在產(chǎn)業(yè)鏈不完整、市場規(guī)模有限等發(fā)展瓶頸，在保證雙贏的條件下，他們有和我國合作的動力和意愿。充分發(fā)揮社會組織在國際合作中的獨特優(yōu)勢，代表中國深入?yún)⑴c國際學(xué)術(shù)、技術(shù)組織，開展國際技術(shù)路線研究、標準研制等合作。

 

（來源：中國經(jīng)濟時報  郭錦輝）