黃芳芳

編者按：

材料是當(dāng)前世界新技術(shù)革命的三大支柱（材料、信息、能源）之一。新材料的發(fā)現(xiàn)、發(fā)明和應(yīng)用推廣與技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)變革密不可分?！笆濉币?guī)劃綱要和《中國制造2025》均對新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展指明方向?！督?jīng)濟(jì)》雜志從本期開始增設(shè)“發(fā)現(xiàn)新材料新技術(shù)”系列，報(bào)道最具潛力的新材料和新技術(shù)，探索新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。

20多年前，我國第三代半導(dǎo)體材料研發(fā)起步。經(jīng)過多年的發(fā)展，第三代半導(dǎo)體材料在光電子器件、電力電子器件和射頻器件領(lǐng)域均獲得了巨大進(jìn)展。

第三代半導(dǎo)體材料兼具國家戰(zhàn)略性新材料的特性和拉動經(jīng)濟(jì)新增點(diǎn)的潛力。近年來，國家基金、地方政府、民間資本都對這一行業(yè)熱情高漲。

據(jù)資料顯示，2015年下半年至2016年底已經(jīng)立項(xiàng)（已經(jīng)環(huán)評公示）的第三代半導(dǎo)體相關(guān)項(xiàng)目達(dá)18項(xiàng)，總投資金額近180億元，共涉及投資主體企業(yè)15家。其中不乏國家集成電路產(chǎn)業(yè)基金、行業(yè)龍頭三安光電以及國家電網(wǎng)、中車、華為等大型企業(yè)的身影。

第三代半導(dǎo)體材料能干啥？

“目前國內(nèi)業(yè)界所說的第三代半導(dǎo)體材料，基本上相當(dāng)于國際上的寬禁帶半導(dǎo)體材料，是以碳化硅和氮化鎵為代表的一些先進(jìn)半導(dǎo)體材料的統(tǒng)稱?！闭憬髮W(xué)電氣工程學(xué)院特聘教授、教育部長江學(xué)者盛況如是告訴《經(jīng)濟(jì)》記者。

半導(dǎo)體材料是制作半導(dǎo)體器件和集成電路的電子材料。1958年，世界上第一塊集成電路在美國誕生，由此開啟了芯片時代。1965年，中國獨(dú)立研制出第一塊集成電路。

1958年以后，半導(dǎo)體材料逐漸走上了升級之路。第一代半導(dǎo)體材料是以硅和鍺為代表的元素半導(dǎo)體，用于電子器件。第二代半導(dǎo)體材料是以砷化鎵、磷化銦為代表的化合物半導(dǎo)體材料。“與第一代半導(dǎo)體材料相比，它能夠發(fā)光，但只是紅光波長以上的光?！睂Ｑ袑捊麕О雽?dǎo)體材料有14年之久的保定中創(chuàng)燕園半導(dǎo)體科技有限公司總經(jīng)理、北京大學(xué)博士孫永健對《經(jīng)濟(jì)》記者說。

以氮化鎵、碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體材料，發(fā)光波長幾乎涵蓋所有可見光，因而其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣闊。孫永健對記者解釋，紅綠藍(lán)三基色能調(diào)配出任何一種顏色。第三代半導(dǎo)體材料發(fā)出的藍(lán)光是調(diào)出白光LED的基礎(chǔ)。

第三代半導(dǎo)體材料現(xiàn)在和將來能改變生活的方面主要集中在三大領(lǐng)域。

一是發(fā)光。它能做成LED（發(fā)光二極管）。用于顯示如手機(jī)屏、電視屏、大型顯示屏等，亦可用于照明，如電燈、路燈、汽車前燈等。近年來，國內(nèi)LED行業(yè)發(fā)展非常迅速，占據(jù)了大部分的顯示市場；同時，很多照明領(lǐng)域都在逐步被LED照明所替代。盛況認(rèn)為，我國在這一領(lǐng)域的發(fā)展是很成功的。

二是通訊。人們對它的預(yù)期前景是5G，即第五代移動通信網(wǎng)絡(luò)。第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟秘書長于坤山告訴《經(jīng)濟(jì)》記者，在移動通信的設(shè)備領(lǐng)域，我國的華為和中興通訊已經(jīng)成為全球領(lǐng)先的企業(yè)，其中基站用的射頻功放管器件，僅華為和中興通訊每年的采購量近億只，采購金額超過100億元。目前基本依賴進(jìn)口。于坤山認(rèn)為，實(shí)現(xiàn)以GaN（氮化鎵）射頻功放管器件為代表的核心器件國產(chǎn)化，將對我國在未來5G通信競爭中打破受制于人的局面具有重要的意義。

三是電能變換。這是盛況教授多年所鉆研和探索的領(lǐng)域。電能變換的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣，所有用電的裝備、設(shè)施，幾乎都要用電能變換的半導(dǎo)體器件對電能進(jìn)行控制、管理和變換。

電能變換的用途量大面廣。盛況向記者舉例，軌道交通、新能源汽車、光伏和風(fēng)電的并網(wǎng)，以及消費(fèi)類電子中的變頻空調(diào)、冰箱、手機(jī)充電器、電腦電源等都需要半導(dǎo)體器件。如果第三代半導(dǎo)體材料能替代現(xiàn)在第二代半導(dǎo)體材料，能使半導(dǎo)體器件的功率更大、效率更高、體積更小。

“同時也更綠色節(jié)能?！庇诶ど綄τ浾吲e例，美國工程院院士Fred C.LEE曾表示數(shù)據(jù)中心未來將帶來大量的能耗，如果采用第三代半導(dǎo)體的電力電子器件并從結(jié)構(gòu)上整體優(yōu)化，能將效率由原來的73%提升到87%。相當(dāng)于節(jié)省3.5個三峽的發(fā)電量。

盛況指出，碳化硅和氮化鎵都可以做電力電子器件?；谶@兩種材料的器件發(fā)展各有各的難度。碳化硅器件的研究時間更長，技術(shù)更成熟，在產(chǎn)業(yè)化和市場化比氮化鎵器件走得遠(yuǎn)一些。目前一些先進(jìn)的汽車廠商已經(jīng)在開始用碳化硅器件，比如特斯拉。盡管手機(jī)充電器尚未大量使用氮化鎵器件。相信在不遠(yuǎn)的將來，手機(jī)充電器可能會具備快充和高功率密度兩大特點(diǎn)。在這個領(lǐng)域，氮化鎵的用途可能會更明顯。

盛況表示，在今后的5到10年里，第三代半導(dǎo)體材料將在半導(dǎo)體照明及顯示、通訊、電能變換的行業(yè)中起到越來越重要的作用。

全球搶占的制高點(diǎn)

“第三代半導(dǎo)體主要的材料SiC（碳化硅）和GaN（氮化鎵）中鎵的儲量全球第一，足夠承擔(dān)未來應(yīng)用。我很認(rèn)同第三代半導(dǎo)體材料將成為全球搶占的制高點(diǎn)?！庇诶ど綀?jiān)定地說。

據(jù)《第三代半導(dǎo)體材料及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告（2016）》顯示，2016年，美國總統(tǒng)科學(xué)和技術(shù)顧問委員會（PCAST）發(fā)布了《確保美國在半導(dǎo)體領(lǐng)域的長期領(lǐng)導(dǎo)地位》的報(bào)告。美國國家宇航局、國防部高級研究計(jì)劃署等機(jī)構(gòu)通過自主研發(fā)、購買訂單等方式開展碳化硅、氮化鎵研發(fā)、生產(chǎn)與器件研發(fā)。

同年，英國化合物半導(dǎo)體應(yīng)用創(chuàng)新中心，投入400萬英鎊加速化合物半導(dǎo)體器件商業(yè)應(yīng)用。日本政府開展聯(lián)合研發(fā)項(xiàng)目——氮化鎵功率元件開發(fā)項(xiàng)目為期5年，第一年（2016年度）預(yù)算為10億日元。也就是說，發(fā)達(dá)國家在第三代半導(dǎo)體材料的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化上布局明晰、投入巨大。

于坤山表示，2016年，國務(wù)院印發(fā)《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》，第三代半導(dǎo)體作為重點(diǎn)新材料研發(fā)及應(yīng)用重大工程的重要部分，有望于2017年啟動。2016年12月，國務(wù)院成立國家新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展領(lǐng)導(dǎo)小組，貫徹實(shí)施制造強(qiáng)國戰(zhàn)略，加快推進(jìn)新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展，將第三代半導(dǎo)體列為重點(diǎn)方向。

盛況指出，一方面，第三代半導(dǎo)體材料的應(yīng)用面非常廣，它涉及生活的方方面面，市場規(guī)模巨大。因此，從經(jīng)濟(jì)的角度，我國一定要發(fā)展它。另一個更重要的因素是它對我國的國防安全至關(guān)重要。國防現(xiàn)代化需要最新的科技技術(shù)，而不管是碳化硅還是氮化鎵都是其中的關(guān)鍵材料，未來這兩方面需求都將非常大。

于坤山對此表示認(rèn)同，現(xiàn)代國防技術(shù)和空天技術(shù)對第三代半導(dǎo)體提出了重大需求。使用高頻、高可靠、長壽命、工作溫度范圍寬、抗輻照能力強(qiáng)的第三代半導(dǎo)體電力電子器件可以有效降低電源及配電分系統(tǒng)的重量和體積，降低航天器的發(fā)射成本并增加裝載容量，改善航天器電子設(shè)備的設(shè)計(jì)容限。實(shí)現(xiàn)高壓、高溫、強(qiáng)輻照等惡劣條件下工作的艦艇、飛機(jī)及智能武器電磁炮等眾多軍用電子系統(tǒng)，起到抵抗極端環(huán)境和降低能耗的作用。

2016年，LED產(chǎn)業(yè)有兩次要約收購事件都因美國政府而終止。一是，中國宏芯投資基金要約收購德國半導(dǎo)體設(shè)備生產(chǎn)商愛思強(qiáng)（Aixtron）；二是，金沙江創(chuàng)投欲收購飛利浦旗下LED生產(chǎn)商Lumileds。于坤山表示，在上述領(lǐng)域發(fā)達(dá)國家一直對我國實(shí)行嚴(yán)格的限制與禁運(yùn)，自主研發(fā)勢在必行。

賽迪智庫集成電路產(chǎn)業(yè)研究所副所長林雨對《經(jīng)濟(jì)》記者解釋，愛思強(qiáng)主要是生產(chǎn)MOCVD設(shè)備（金屬有機(jī)氣相外延生長技術(shù)）的企業(yè)。美國方面認(rèn)為，這個設(shè)備不僅能做LED外延，更能做砷化鎵的外延，而做成的應(yīng)用產(chǎn)品如射頻器能應(yīng)用在導(dǎo)彈上?！懊绹姆婪逗車?yán)，技術(shù)來源基本被堵死。因而，我國在射頻和功率器件上發(fā)展較為緩慢。好在中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所、第五十五研究所有一定的積累，未來一定會實(shí)現(xiàn)技術(shù)攻關(guān)。”

產(chǎn)業(yè)化瓶頸多

最近十幾年，電力電子芯片企業(yè)數(shù)量逐漸增多。但國內(nèi)芯片企業(yè)主要在生產(chǎn)基于硅材料的器件，如IGBT器件等。而以碳化硅、氮化鎵為代表的第三代半導(dǎo)體電力電子器件，國內(nèi)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化與國外還有較為明顯的差距。

電力電子器件（Power Electronic Devices）又稱為功率半導(dǎo)體器件，通過用于各種功率設(shè)備中的電能變換，能讓能源的使用變得更高效、更適合用戶的需求。上文提到的電能變換所用到的器件即電力電子器件，它的核心是電力電子芯片，由于在該領(lǐng)域和國外的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)差距，我國每年都要進(jìn)口相當(dāng)數(shù)量的該類芯片。

2009年底，盛況放棄了美國知名大學(xué)終身執(zhí)教的身份，回國以后，他和他的團(tuán)隊(duì)聯(lián)合國內(nèi)一些電力其他單位，共同努力攻克第三代半導(dǎo)體器件關(guān)鍵技術(shù)，并將第三代半導(dǎo)體材料研究成果推向產(chǎn)業(yè)界，有些已經(jīng)在產(chǎn)業(yè)界取得了初步應(yīng)用。

孫永健認(rèn)為，在電力電子器件方面，最大的瓶頸是基礎(chǔ)原材料的制備。原材料的生長需要很多條件，一旦做成產(chǎn)品需要控制的指標(biāo)更多。氮化鎵的單晶材料和生產(chǎn)氮化鎵的襯底材料，以及如何解決元器件功率散熱問題尚待解決。由于技術(shù)門檻高，摸索起來較難，國內(nèi)外發(fā)展趨勢和進(jìn)度相似。

“由于起步晚，第三代半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)在很多方面與國外差距較大。”國家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟副秘書長耿博對記者說，比如，原始創(chuàng)新、應(yīng)用創(chuàng)新與國外差距較大，創(chuàng)新鏈沒有打通，缺乏有能力落實(shí)全鏈條設(shè)計(jì)、一體化整體實(shí)施的牽頭主體。目前國家科技計(jì)劃以項(xiàng)目和課題為主的管理方式，牽頭單位對項(xiàng)目內(nèi)參與單位的約束力和過程中調(diào)控力弱，通過競爭的方式爭取項(xiàng)目，容易造成強(qiáng)強(qiáng)競爭、資源分散等問題，無法形成利益共同體，缺乏有能力落實(shí)一體化整體實(shí)施的牽頭主體。

再如，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是高度技術(shù)密集型、需要大量投資、高水平科研的產(chǎn)業(yè)。我國技術(shù)起步晚，科研機(jī)構(gòu)研發(fā)資源分散且重復(fù)，與產(chǎn)業(yè)協(xié)同研發(fā)及轉(zhuǎn)化機(jī)制不健全，難以形成對產(chǎn)業(yè)的持續(xù)支撐。

此外，產(chǎn)業(yè)培育和發(fā)展服務(wù)不配套。我國在第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)具有爆發(fā)性增長潛力的應(yīng)用領(lǐng)域，例如5G移動通信、電動汽車充電樁、光伏逆變等，與國外相關(guān)產(chǎn)業(yè)和市場的差距還比較明顯，落后程度甚于技術(shù)層面的落后程度，缺乏對國產(chǎn)材料和器件的應(yīng)用試錯支持。

在標(biāo)準(zhǔn)、檢測、認(rèn)證等方面的行業(yè)規(guī)則、辦事程序和現(xiàn)有的體制等與新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)律和特點(diǎn)不相匹配，尚未解決材料“能用-可用-好用”發(fā)展過程中的問題和障礙。耿博建議，通過示范工程，培育市場，建立新的標(biāo)準(zhǔn)、檢測與認(rèn)證體系，在政策上形成“組合拳”。

投資起熱潮資本在觀望

LED是第三代半導(dǎo)體材料發(fā)展最快的應(yīng)用領(lǐng)域。2016年國內(nèi)LED產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值超過5000億元。孫永健指出，如果射頻器件、激光器和探測器產(chǎn)業(yè)做起來，預(yù)計(jì)市場規(guī)模將更大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年，我國第三代半導(dǎo)體電力電子器件的市場規(guī)模約1.6億元，但90%的市場被進(jìn)口產(chǎn)品所占有。第三代半導(dǎo)體材料和器件的需求量國內(nèi)外都在迅速增加，但是國內(nèi)生產(chǎn)的第三代半導(dǎo)體芯片和器件在市場上份額還很低。

“資本對于第三代半導(dǎo)體材料的發(fā)展前景十分認(rèn)同，投資興趣很高，都在積極關(guān)注產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。”耿博告訴《經(jīng)濟(jì)》記者，不少投資機(jī)構(gòu)已經(jīng)成立專業(yè)團(tuán)隊(duì)來研究該領(lǐng)域的投資，并計(jì)劃在該領(lǐng)域建立專業(yè)投資資金，部分原來做硅材料分立器件的上市公司也在積極布局這個產(chǎn)業(yè)。

耿博指出，從客觀來看，目前國內(nèi)的基礎(chǔ)還在起步階段，具有明顯投資價值的標(biāo)的還比較少，大部分資本尚處于觀望狀態(tài)。目前，真正介入第三代半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)的資本是對半導(dǎo)體行業(yè)有專注背景和研究能力的機(jī)構(gòu)，如國家集成電路產(chǎn)業(yè)基金、國家電網(wǎng)、中車、華為等。再如，2016年5月，三安光電和國家集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金（簡稱“大基金”）成立了安芯產(chǎn)業(yè)投資基金，首期募集75.1億元，專注于投資集成電路領(lǐng)域。

“目前資本對第三代半導(dǎo)體關(guān)注度雖高，但真正投入進(jìn)去還需要一個熟悉的過程。這也是資本與技術(shù)同步發(fā)展的過程?！睂O永健表示，新公司建立初期，應(yīng)該從產(chǎn)業(yè)的短板切入，不僅企業(yè)發(fā)展有空間，投資方也可以獲得較高的回報(bào)。

耿博建議，若要贏得更多資本的關(guān)注，第三代半導(dǎo)體還需繼續(xù)完善產(chǎn)業(yè)環(huán)境，形成一大批有價值的創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)和項(xiàng)目，使資本和技術(shù)、團(tuán)隊(duì)、產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)更好的結(jié)合，共同創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)和社會價值。

盡管資本火熱，盛況更希望資本做投資時能夠平衡長期戰(zhàn)略投資、國家和行業(yè)責(zé)任擔(dān)當(dāng)、投資回報(bào)和理性投資等三方面因素。

產(chǎn)業(yè)發(fā)展重視三件事

“未來第三代半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)，我們要重視三件事?！笔r對記者說。

一是對第三代半導(dǎo)體材料要更加重視。材料可能是我國發(fā)展這個行業(yè)的基礎(chǔ)，然而，由于我國在這方面的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)水平和國外相比有較大的差距，將成為我國第三代半導(dǎo)體材料及其應(yīng)用行業(yè)的主要瓶頸。因此，我國的材料發(fā)展要進(jìn)一步加快。

二是希望產(chǎn)業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)之間的溝通和合作要進(jìn)一步加強(qiáng)，尋找材料-芯片-封裝-裝備-系統(tǒng)這一系列產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)之間一起合作的新模式，形成利益共同體，在相應(yīng)聯(lián)盟的協(xié)調(diào)和支持下，通力合作，一起把產(chǎn)業(yè)鏈打造得更通暢，提高產(chǎn)業(yè)水平。

“從國家戰(zhàn)略角度來說，并不提倡靠企業(yè)擴(kuò)產(chǎn)去擴(kuò)大市場規(guī)模。”林雨告訴記者，從產(chǎn)業(yè)發(fā)展形勢來看，建議采用IDM模式打造一個平臺，即將設(shè)計(jì)-封裝-制造-應(yīng)用全都融為一體，形成一個完整的產(chǎn)業(yè)鏈。這也是國家基金正在推廣的模式。

三是希望充分發(fā)揮我國在大型市場方面的獨(dú)特優(yōu)勢，更好地利用市場的拉動和引領(lǐng)的作用，加強(qiáng)對第三代半導(dǎo)體材料和器件等上游產(chǎn)業(yè)的扶持，幫助上游產(chǎn)業(yè)的快速成長。只有這樣，整個產(chǎn)業(yè)鏈才能更加堅(jiān)強(qiáng)，我國的第三代半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)才有機(jī)會達(dá)到甚至超越國際領(lǐng)先水平。

現(xiàn)階段，行業(yè)發(fā)展最緊缺的是人才。盛況建議，國家應(yīng)該張開懷抱，大力引進(jìn)第三代半導(dǎo)體行業(yè)在國外的相關(guān)人才。同時，大力扶持、培養(yǎng)國內(nèi)高端、中端人才。

對該行業(yè)的科研和產(chǎn)業(yè)工作者而言，大家正面臨一個幾十年難遇的機(jī)遇。盛況表示，行業(yè)里的各類人才應(yīng)該抓住這個機(jī)會，以民族技術(shù)和產(chǎn)業(yè)振興為己任，乘著我國實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的大浪潮，在第三代半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展的小浪潮里，更好地實(shí)現(xiàn)自身價值。