蔡永香

在如今的信息時(shí)代，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的重要性愈發(fā)凸顯。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)不僅是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)智能化升級(jí)的基礎(chǔ)支撐，同時(shí)也是推動(dòng)新興技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵所在。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，是半導(dǎo)體工業(yè)的基礎(chǔ)，在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中扮演了舉足輕重的角色，“半導(dǎo)體材料的水平是衡量一個(gè)國(guó)家精細(xì)化工產(chǎn)業(yè)水平的重要標(biāo)志”，這一說法不無道理。

1 概述

在以硅（Si）為代表的第1代半導(dǎo)體材料、以砷化鎵為代表的第2代半導(dǎo)體材料得到廣泛應(yīng)用之后，當(dāng)下第3代半導(dǎo)體材料開始活躍在時(shí)代的舞臺(tái)。第3代半導(dǎo)體材料，主要指以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）、氮化鋁（AlN）、氧化鋅（ZnO）、氧化鎵（Ga2O3）和金剛石為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料，是支撐信息、能源、交通、國(guó)防等產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)新材料，被認(rèn)為是對(duì)未來綜合國(guó)力、國(guó)防安全具有重大影響的戰(zhàn)略技術(shù)。從第3代半導(dǎo)體材料和器件的研究與應(yīng)用情況來看，當(dāng)前材料和應(yīng)用技術(shù)發(fā)展最快的是SiC和GaN半導(dǎo)體材料，而目前對(duì)ZnO、金剛石和AlN等的研究?jī)H限于對(duì)材料的制備技術(shù)的研究。

SiC和GaN半導(dǎo)體材料主要應(yīng)用為半導(dǎo)體照明器件（LED）、電力電子器件、射頻功率器件、激光器和探測(cè)器等4大器件，其中半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展最為迅速，已形成百億美元的產(chǎn)業(yè)規(guī)模。電力電子器件是第3代半導(dǎo)體應(yīng)用市場(chǎng)迅速增長(zhǎng)的行業(yè)。GaN射頻器件是第3代半導(dǎo)體最早應(yīng)用的領(lǐng)域，目前是5G基站建的重要射頻器件。在激光器和探測(cè)器應(yīng)用領(lǐng)域，GaN基激光器可以覆蓋到很寬的頻譜范圍，實(shí)現(xiàn)藍(lán)、綠、紫外激光器和紫外探測(cè)器的制造。

2 第3代半導(dǎo)體戰(zhàn)略布局

2.1 國(guó)外戰(zhàn)略布局

從國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)角度看，歐、美、日等發(fā)達(dá)國(guó)家將第3代半導(dǎo)體列入國(guó)家戰(zhàn)略規(guī)劃，國(guó)際重要半導(dǎo)體企業(yè)作為第3代半導(dǎo)體技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展的創(chuàng)新主體，已進(jìn)入全面搶占技術(shù)和產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略制高點(diǎn)階段。

美國(guó)2014年初成立“下一代功率電子技術(shù)國(guó)家制造業(yè)創(chuàng)新中心”，中心由北卡羅來納州立大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)，協(xié)同阿西布朗勃法瑞（ABB）集團(tuán)、科銳（Cree）公司、威訊聯(lián)合半導(dǎo)體（RFMD）公司等超過25家知名公司、大學(xué)及政府機(jī)構(gòu)進(jìn)行全產(chǎn)業(yè)鏈合作，計(jì)劃通過加強(qiáng)第3代半導(dǎo)體技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，使美國(guó)占領(lǐng)下一代功率電子產(chǎn)業(yè)。值得注意的是，目前美國(guó)已經(jīng)不再批準(zhǔn)境外資本對(duì)美國(guó)半導(dǎo)體企業(yè)的并購(gòu)，目的就是杜絕技術(shù)外流，使美國(guó)始終保持對(duì)世界半導(dǎo)體技術(shù)的領(lǐng)先地位強(qiáng)制設(shè)置壁壘。最典型的案例是2017年2月，美國(guó)政府外來投資審查委員會(huì)（CFIUS）強(qiáng)制終止了德國(guó)的英飛凌（Infineon）科技股份公司對(duì)美國(guó)Cree公司（旗下WolfSpeed）的收購(gòu)案，理由是“收購(gòu)案將對(duì)美國(guó)國(guó)家安全造成風(fēng)險(xiǎn)”。

日本2013年就將SiC納入“首相戰(zhàn)略”，認(rèn)為未來50%節(jié)能要通過它來實(shí)現(xiàn)，并也建立“下一代功率半導(dǎo)體封裝技術(shù)開發(fā)聯(lián)盟”，由大阪大學(xué)牽頭，協(xié)同羅姆（Rohm）半導(dǎo)體集團(tuán)、三菱電機(jī)（Mitsubishi Electric）株式會(huì)社、松下電器（Panasonic）產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社等18家從事SiC和GaN材料、器件、應(yīng)用技術(shù)開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化的企業(yè)、大學(xué)和研究中心。

歐洲2010年啟動(dòng)產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目“LASTPOWER”，由意法半導(dǎo)體（ST）公司牽頭，協(xié)同企業(yè)、大學(xué)和公共研究中心，聯(lián)合攻關(guān)第3代半導(dǎo)體關(guān)鍵技術(shù)。2014年，歐盟委員會(huì)（EU）推出“用于節(jié)能設(shè)備的碳化硅電力電子技術(shù)的“SPEED計(jì)劃”，該計(jì)劃作為歐盟第七框架計(jì)劃（EU FP7）的內(nèi)容之一。

2.2 我國(guó)戰(zhàn)略布局

近幾年，我國(guó)從中央到地方先后出臺(tái)多項(xiàng)關(guān)于第3代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的利好政策與規(guī)劃。2016年，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)——戰(zhàn)略性先進(jìn)電子材料專項(xiàng)中，第3代半導(dǎo)體作為最主要的部分，已連續(xù)3年設(shè)立研發(fā)項(xiàng)目，以期推動(dòng)我國(guó)第3代半導(dǎo)體技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

2.2.1 國(guó)家層面

2015年5月8日，國(guó)務(wù)院印發(fā)了《中國(guó)制造2025》戰(zhàn)略規(guī)劃，提出了發(fā)展第3代半導(dǎo)體材料的任務(wù)要求，從材料、器件、模塊和應(yīng)用等制定了發(fā)展目標(biāo)：2025年實(shí)現(xiàn)在5G移動(dòng)通訊、高效能源管理中國(guó)產(chǎn)化率達(dá)到50%；在新能源汽車、消費(fèi)類電子領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)規(guī)模應(yīng)用，在通用照明市場(chǎng)滲透率達(dá)到80%。2016-2017年，在國(guó)務(wù)院、國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、工業(yè)和信息化部、科學(xué)技術(shù)部（以下簡(jiǎn)稱“科技部”）等部門相繼出臺(tái)《“十三五”國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃》《“十三五”國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》等7項(xiàng)重要規(guī)劃中，均布局了第3代半導(dǎo)體相關(guān)內(nèi)容。

2015年，科技部啟動(dòng)了“十三五”《國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃》，其中“戰(zhàn)略性先進(jìn)電子材料”專項(xiàng)對(duì)第3代半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)部署，從產(chǎn)業(yè)發(fā)展實(shí)際需求和進(jìn)程出發(fā)，研發(fā)內(nèi)容覆蓋了材料、器件研發(fā)，到對(duì)新能源汽車應(yīng)用、電網(wǎng)應(yīng)用前沿研究全鏈條。“十四五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃啟動(dòng)實(shí)施 2021年“新型顯示與戰(zhàn)略性電子材料”重點(diǎn)專項(xiàng)，第3代半導(dǎo)體仍被作為重要方向進(jìn)行科技布局。2021年3月，科技部正式批復(fù)支持深圳市政府、江蘇省政府共同建設(shè)建設(shè)國(guó)家第3代半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新中心，4月19日，蘇州舉行國(guó)家第3代半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新中心的揭牌儀式；6月21日，國(guó)家第3代半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新中心（南京）揭牌，深圳、蘇州、南京3個(gè)國(guó)家級(jí)第3代半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新中心相繼成立。

2.2.2 地方層面

2016-2021年，北京、深圳、廣東、福建、江蘇、浙江、湖南等省市政府先后出臺(tái)相關(guān)政策（不包括LED），第3代半導(dǎo)體技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展均被納入地方“十三五”相關(guān)領(lǐng)域規(guī)劃內(nèi)容。各地區(qū)依托當(dāng)?shù)貎?yōu)勢(shì)研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)，通過推進(jìn)技術(shù)成果轉(zhuǎn)化、資本投資等多種形式，推動(dòng)第3代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展，搶占市場(chǎng)先機(jī)。目前，全國(guó)形成京津冀地區(qū)、長(zhǎng)三角地區(qū)、珠三角地區(qū)、福廈泉地區(qū)為主的產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)。

京津冀地區(qū)，形成以北京為中心的SiC產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)，覆蓋產(chǎn)業(yè)鏈上下游，并與位于天津的中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所、位于石家莊的中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所（以下簡(jiǎn)稱“中電科13所”）以及位保定的于河北同光晶體有限公司（以下簡(jiǎn)稱“同光晶體”）等企業(yè)構(gòu)建了良好合作關(guān)系。長(zhǎng)三角地區(qū)，形成以蘇州為核心的GaN產(chǎn)業(yè)集聚，擁有蘇州能訊高能半導(dǎo)體有限公司（以下簡(jiǎn)稱“蘇州能訊”）、蘇州晶湛半導(dǎo)體有限公司（以下簡(jiǎn)稱“蘇州晶湛”）、江蘇能華微電子科技發(fā)展有限公司（以下簡(jiǎn)稱“江蘇能華”）、蘇州納維科技有限公司（以下簡(jiǎn)稱“蘇州納維”）等眾多企業(yè)。珠三角地區(qū)，以東莞為中心聚集了東莞天域半導(dǎo)體科技有限公司（以下簡(jiǎn)稱“東莞天域”）、東莞中鎵半導(dǎo)體科技有限公司（以下簡(jiǎn)稱“東莞中鎵”）、比亞迪等SiC企業(yè)。福廈泉地區(qū)，是第3代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的新興聚集區(qū)，廈門聚集的企業(yè)有瀚天天成電子科技（廈門）有限公司（以下簡(jiǎn)稱“瀚天天成”）、三安光電公司、華天恒芯半導(dǎo)體（廈門）有限公司、芯光潤(rùn)澤有限公司等。

3 第3代半導(dǎo)體技術(shù)及產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

3.1 SiC技術(shù)及產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

SiC單晶襯底方面，4～6英寸SiC單晶襯底是市場(chǎng)主流。國(guó)際上，Cree和貳陸（II—VI）公司率先突破6英寸SiC單晶的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)了批量的銷售；8英寸SiC單晶底已完成實(shí)驗(yàn)室研發(fā)，其中Cree公司單晶質(zhì)量最好，代表了SiC單晶襯底行業(yè)的最高水平。我國(guó)北京天科合達(dá)半導(dǎo)體股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱“天科合達(dá)”）、山東天岳先進(jìn)材料科技有限公司（以下簡(jiǎn)稱“山東天岳”）均已具備批量生產(chǎn)4英寸SiC單晶襯底的能力，并研制出6英寸SiC單晶襯底。國(guó)內(nèi)企業(yè)的4英寸SiC單晶襯底微管密度可控制在1個(gè)/cm2，最低可到達(dá)0.1個(gè)/cm2，6英寸微管密度可以控制在10個(gè)/cm2以下，不過國(guó)產(chǎn)SiC襯底仍存在單晶性能一致性差、成品率低、成本高等問題，國(guó)產(chǎn)高性能襯底自給率仍然較低，占全球的市場(chǎng)份額不到5%。

在SiC外延片方面，由于外延片厚度與器件種類和承受電壓密切相關(guān)，外延層厚度每增加1μm，耐壓增加10V。目前國(guó)際上具備供應(yīng)200μm SiC外延晶片的企業(yè)僅有美國(guó)Cree、DOW Corning、Ⅱ—Ⅵ和日本昭和電工。我國(guó)具備批量制備并銷售外延片的企業(yè)僅有瀚天天成、東莞天域，均已成功批量生產(chǎn)4～6英寸SiC外延片，生長(zhǎng)速率為80～100μm/h，100μmSiC外延片缺陷密度已經(jīng)能夠達(dá)到0.5/cm2。但是，與國(guó)際水平相比，我國(guó)厚膜外延片的質(zhì)量仍存在較大差距。

在SiC電力電子器件方面，全球有超過30家公司具有SiC電力電子器件及相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)、設(shè)計(jì)、制造和銷售能力，最具代表性的企業(yè)是美國(guó)Cree、德國(guó)Infineon、日本Rohm。我國(guó)開展SiC器件布局的企業(yè)有泰科天潤(rùn)半導(dǎo)體科技（北京）有限公司（以下簡(jiǎn)稱“泰科天潤(rùn)”）、中車時(shí)代電氣、中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所（以下簡(jiǎn)稱“中電科55所”）、中電科13所、全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院等，國(guó)內(nèi)已具備600～3300V的SiC SBD批量制備能力，并部分形成銷售1 200～1 700V的SiC MOSFET器件尚不具備產(chǎn)業(yè)化能力。

總體來講，全球SiC產(chǎn)業(yè)格局呈現(xiàn)美國(guó)、歐洲、日本三足鼎立態(tài)勢(shì)。其中美國(guó)全球獨(dú)大，全球SiC材料產(chǎn)量的70%～80%來自美國(guó)公司；歐洲擁有完整的SiC襯底、外延、器件以及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈；日本在SiC模塊和應(yīng)用開發(fā)方面絕對(duì)領(lǐng)先。我國(guó)已具備完整的SiC產(chǎn)業(yè)鏈，SiC相關(guān)企業(yè)已逐步進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)行列。

3.2 GaN技術(shù)及產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

在GaN單晶襯底方面，GaN無法通過從熔融液相中結(jié)晶的方法生長(zhǎng)單晶，只有采用異質(zhì)外延法制備較厚GaN單晶薄膜。日本住友電氣工業(yè)株式會(huì)社（以下簡(jiǎn)稱“住友電工”）、古河機(jī)械和法國(guó)Lumilog公司采用HVPE法實(shí)現(xiàn)了4英寸GaN單晶襯底小批量制備，其中住友電工成功研制了6英寸GaN單晶襯底，引領(lǐng)技術(shù)發(fā)展。我國(guó)蘇州納維20μm厚度2英寸GaN襯底片年產(chǎn)能已達(dá)到1 500片，4英寸襯底已推出產(chǎn)品，目前正在開展6英寸襯底片研發(fā)。東莞中鎵已經(jīng)對(duì)外供貨330μm、430μm兩種厚度的2英寸GaN襯底產(chǎn)品，并已開發(fā)出4英寸GaN襯底樣品，具備能小批量生產(chǎn)能力。

在GaN外延材料方面，主要是基于藍(lán)寶石、Si、SiC等襯底上異質(zhì)外延生長(zhǎng)的GaN外延材料。其中，藍(lán)寶石基GaN外延主要用于LED制備，是GaN異質(zhì)外延最成熟的技術(shù)；SiC基GaN外延主要用于射頻器件和高功率LED，其外延片已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，產(chǎn)品主流尺寸為4～6英寸；Si基GaN外延技術(shù)發(fā)展最晚，是中低壓電力電子器件和LED低成本化重要支撐，成為當(dāng)前GaN異質(zhì)外延技術(shù)發(fā)展的重要方向。目前，美國(guó)Nitronex，德國(guó)Azzuro和日本住友化學(xué)公司等企業(yè)已開始提供制備600V以上電力電子器件的8英寸Si基GaN外延。蘇州晶湛是我國(guó)第1家批量生產(chǎn)8英寸GaN外延片的企業(yè)，英諾賽科（珠海）科技有限公司Si基GaN已建成投產(chǎn)。

在GaN基電力電子器件方面，Si基GaN電力電子器件非常適合高頻率、小體積、成本敏感、功率要求低的電源領(lǐng)域。國(guó)際上EPC、Transform、GaN system、松下等供應(yīng)商均可提供200V以下和600/650V的器件產(chǎn)品，日本豐田合成株式會(huì)社宣布研制成功1 200V的GaN器件，目前，GaN電力電子器件產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步升溫，無人機(jī)等消費(fèi)電子電源、數(shù)據(jù)中心電源、通信電源、電動(dòng)汽車電源、激光雷達(dá)驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域采用GaN器件，市場(chǎng)規(guī)模將迎來高速增長(zhǎng)。國(guó)內(nèi)蘇州能訊、江蘇能華、江蘇華功半導(dǎo)體有限公司（以下簡(jiǎn)稱“華功半導(dǎo)體”）、杭州士蘭集成電路有限公司等企業(yè)均已布局GaN電力電子器件，但器件性能與國(guó)際先進(jìn)水平有一定差距。

在GaN基射頻器件方面，GaN基射頻器件具有輸出功率密度大、耐高溫、耐輻照等特點(diǎn)，主要用于軍用電子裝備以及民用通信類基站、無線熱點(diǎn)等領(lǐng)域。在民用領(lǐng)域，GaN射頻器件被認(rèn)為是5G移動(dòng)通信基站的首選技術(shù)。目前全球約有超過30家企業(yè)從事GaN射頻器件的研發(fā)生產(chǎn)，其中10家左右已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)和商業(yè)化。國(guó)際領(lǐng)先的是美國(guó)Cree、QORVO和日本Sumitomo Electric三家公司，住友電工和Cree是行業(yè)的龍頭企業(yè)。國(guó)內(nèi)GaN射頻器件制造企業(yè)有北京國(guó)聯(lián)萬眾、蘇州能訊、成都海威華芯和中電科13所、中電科55所等，其中部分企業(yè)GaN射頻器件已用于華為等移動(dòng)通信基站。

在紫外LED器件方面，歐司朗（Osram）、Cree、日亞（Nichia）等多家美國(guó)、日本企業(yè)均已推出深紫外波段LED器件的量產(chǎn)，在殺菌消毒、空氣凈化、食品加工保鮮、國(guó)防與安全等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。在GaN激光器方面，Nichia、Osram走在了國(guó)際前列，5W以上功率藍(lán)光和1W以上功率綠光激光器已有銷售，342nm紫外激光器實(shí)現(xiàn)脈沖激射，但尚不能實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。在紫外探測(cè)器方面，韓國(guó)的Genicom公司和日本的Kyosemi公司可以批量供應(yīng)GaN紫外探測(cè)器，其中Genicom公司已經(jīng)推出了多款GaN紫外探測(cè)器的模塊化應(yīng)用產(chǎn)品，主要用于紫外輻射劑量測(cè)量和監(jiān)控。我國(guó)可小批量生產(chǎn)2W藍(lán)光和60mW綠光激光器，392nm紫外激光器發(fā)光效率達(dá)到80mW。在普通非增益GaN紫外探測(cè)器方面，國(guó)內(nèi)和國(guó)外水平相近，增益型日盲波段AlGaN APD增益可達(dá)105，成像面陣規(guī)模可以做到256×320以上，但相較國(guó)際水平仍有差距。

總體來說，日本主導(dǎo)了國(guó)際GaN單晶襯底、異質(zhì)外延和光電器件技術(shù)，并占有GaN單晶襯底絕大部分的市場(chǎng)份額。在GaN射頻器件和電力電子器件領(lǐng)域，美、日等半導(dǎo)體企業(yè)均開展產(chǎn)業(yè)布局，且占有主要市場(chǎng)份額。我國(guó)已具備GaN的完整產(chǎn)業(yè)鏈，且半導(dǎo)體照明應(yīng)用領(lǐng)先國(guó)際，但電力電子器件、射頻器件方面，尚處于企業(yè)布局、產(chǎn)品研發(fā)階段，產(chǎn)品較國(guó)際水平尚有一定差距。

4 第3代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展特點(diǎn)

4.1 材料仍是制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展關(guān)鍵環(huán)節(jié)

相較第1代和第2代半導(dǎo)體材料，第3代半導(dǎo)體的材料質(zhì)量相對(duì)較差。Si片尺寸已經(jīng)能達(dá)到12英寸以上，純凈度達(dá)到99.999999999%（11個(gè)9）以上。GaAs材料經(jīng)歷了60多年的發(fā)展，材料質(zhì)量非常高。然而GaN和SiC材料的雜質(zhì)濃度和缺陷還都比較高。GaN器件尚且很難實(shí)現(xiàn)同質(zhì)外延生長(zhǎng)，需要依托在SiC或Si襯底上。SiC襯底材料尚停留在4英寸，6英寸襯底的質(zhì)量還不夠穩(wěn)定，價(jià)格非常昂貴。材料質(zhì)量不高和價(jià)格高昂成為第3代半導(dǎo)體器件技術(shù)和應(yīng)用發(fā)展的阻礙因素之一。

4.2 第3代半導(dǎo)體器件制備有望與Si半導(dǎo)體工藝融合

受第3代半導(dǎo)體材料尺寸和成本限制，第3代半導(dǎo)體器件以4英寸和6英寸為主，部分在硅片上外延的GaN半導(dǎo)體器件尺寸可以達(dá)到8英寸。第3代半導(dǎo)體多數(shù)面向高電壓、高功率的模擬器件或光電子器件，對(duì)器件制程工藝節(jié)點(diǎn)要求不高，無須使用60nm以下工藝，目前GaN器件以0.15μm以上工藝為主，SiC器件由于主要面向上千伏高壓應(yīng)用，工藝線寬在0.5μm左右。相比于目前主流的12英寸集成電路制造生產(chǎn)線，4英寸和6英寸生產(chǎn)線的建設(shè)成本較低，且已被市場(chǎng)淘汰的4～6寸硅半導(dǎo)體器件制備工藝線，可以得到重新利用。

4.3 SiC器件IDM模式為主，GaN器件出現(xiàn)精細(xì)分工

第3代半導(dǎo)體領(lǐng)域，SiC器件的企業(yè)多以IDM模式為主，如龍頭企業(yè)美國(guó)Cree（Wolfspeed）公司、德國(guó)Infineon公司、日本Rohm公司均包括SiC器件設(shè)計(jì)到SiC模組完整工藝鏈條，中國(guó)泰科天潤(rùn)公司也是如此。但在GaN領(lǐng)域，美國(guó)Qorvo、日本住友電工、中國(guó)蘇州能訊等龍頭企業(yè)以IDM模式運(yùn)營(yíng)，近年來隨著GaN產(chǎn)品和市場(chǎng)的多樣化，GaN器件IDM企業(yè)如荷蘭恩智浦（NXP）公司、德國(guó)Infineon公司、韓國(guó)RFHIC將GaN射頻器件委托Cree公司代工，在面向消費(fèi)電子的GaN電力電子器件方面，美國(guó)Transphorm、EPC、Navitas、加拿大GaN Systems、德國(guó)Dialog等設(shè)計(jì)企業(yè)也不斷涌現(xiàn)。

4.4 國(guó)際半導(dǎo)體企業(yè)加緊第3代半導(dǎo)體布局

由于第3代半導(dǎo)體具有廣闊的市場(chǎng)前景，國(guó)際巨頭企業(yè)紛紛提前布局。一是展開企業(yè)并購(gòu)。電力電子器件龍頭企業(yè)德國(guó)Infineon公司收購(gòu)美國(guó)國(guó)際整流器公司（IR），獲得了硅基GaN電力電子器件技術(shù)；Infineon試圖收購(gòu)美國(guó)Cree公司旗下Wolfspeed公司，最終被美國(guó)政府以危害國(guó)家安全為由予以否決終止；美國(guó)安森美24億美元收購(gòu)仙童公司獲得高壓SiC SBD技術(shù)；美國(guó)ADI半導(dǎo)體公司宣布收購(gòu)位于美國(guó)加利福尼亞州Santa Rosa的OneTree Microdevices公司GaN射頻器件技術(shù)。二是加大研發(fā)和投資建設(shè)生產(chǎn)線。在SiC電力電子器件市場(chǎng)，歐洲的Infineon、ST、美國(guó)的GE、Wolfspeed、日本的Rohm、三菱等龍頭企業(yè)均加大研發(fā)投入，建設(shè)6英寸SiC器件生產(chǎn)線，提前搶占未來市場(chǎng)。

4.5 核心技術(shù)對(duì)中國(guó)實(shí)行技術(shù)禁運(yùn)

第3代半導(dǎo)體可用于軍事用途，是有源相控陣?yán)走_(dá)、毫米波通信設(shè)備、激光武器、“航天級(jí)”固態(tài)探測(cè)器、耐超高輻射裝置等軍事裝備中的核心組件，因而受到國(guó)際上《瓦森納安排》的出口管制，中國(guó)對(duì)外收購(gòu)相關(guān)企業(yè)受到美國(guó)等國(guó)家的嚴(yán)格審查。2016年我國(guó)金沙江財(cái)團(tuán)收購(gòu)美國(guó)Lumileds公司、三安光電收購(gòu)美國(guó)GCS公司、宏芯基金收購(gòu)德國(guó)Aixtron公司三起收購(gòu)案先后被美國(guó)外資投資委員會(huì)（CFIUS）嚴(yán)格審查并以危害國(guó)家安全為由予以否決。

5 我國(guó)第3代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)存在問題與未來展望

5.1 發(fā)展瓶頸

5.1.1 第3代半導(dǎo)體材料與器件較發(fā)達(dá)國(guó)家仍有差距

近年，在國(guó)家和地方政府的支持下，我國(guó)第3代半導(dǎo)體材料和器件技術(shù)已取得較大突破，成為國(guó)際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)不可忽視的力量。但由于我國(guó)第3代半導(dǎo)體材料和器件起步較晚，產(chǎn)品品質(zhì)和一致性、穩(wěn)定性等方面，仍與發(fā)達(dá)國(guó)家存在一定差距，國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品的市場(chǎng)占有率不高。

5.1.2 核心專用裝備依賴進(jìn)口

第3代半導(dǎo)體晶片和器件的制備基本工藝流程同硅基半導(dǎo)體基本一致，部分設(shè)備可以與硅基半導(dǎo)體工藝兼容，但由于第3代半導(dǎo)體材料熔點(diǎn)較高、硬度較大、熱導(dǎo)率較高、鍵能較強(qiáng)的特殊性質(zhì)，核心專用設(shè)備被美國(guó)、德國(guó)、日本、烏克蘭、意大利半導(dǎo)體設(shè)備廠商壟斷。國(guó)內(nèi)除SiC晶體生長(zhǎng)爐實(shí)現(xiàn)自主研發(fā)國(guó)產(chǎn)化外，相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)所有的其他核心專用裝備（如多線切割機(jī)、高溫氧化爐、高溫離子注入機(jī)、高溫退火爐等）均為進(jìn)口設(shè)備。目前中國(guó)電子科技集團(tuán)、北方華創(chuàng)等設(shè)備制造企業(yè)進(jìn)口設(shè)備基礎(chǔ)上進(jìn)行仿制，國(guó)產(chǎn)化裝備的市場(chǎng)驗(yàn)證還需較長(zhǎng)時(shí)間。

5.1.3 企業(yè)亟待提升創(chuàng)新能力和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力

我國(guó)第3代半導(dǎo)體技術(shù)和人才主要集中在北京大學(xué)、清華大學(xué)、中科院等科研機(jī)構(gòu)，我國(guó)主要的第3代半導(dǎo)體企業(yè)，如天科合達(dá)、山東天岳、東莞天域、中鎵半導(dǎo)體、蘇州納維、同光晶體、華功半導(dǎo)體等，均是政府和市場(chǎng)推動(dòng)下，由高校院所通過技術(shù)轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化孵化出的創(chuàng)新型企業(yè)。相對(duì)于歐、美、日等國(guó)際半導(dǎo)體企業(yè)在第3代半導(dǎo)體領(lǐng)域進(jìn)行的長(zhǎng)期技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)布局，我國(guó)第3代半導(dǎo)體企業(yè)規(guī)模小、技術(shù)積累時(shí)間短、資本不夠雄厚，在尚處于培育發(fā)展時(shí)期的第3代半導(dǎo)體市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，面臨著人才緊缺、技術(shù)儲(chǔ)備不足、產(chǎn)品市場(chǎng)認(rèn)可度不高的問題，亟待提升企業(yè)創(chuàng)新能力和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

5.2 發(fā)展機(jī)遇

5.2.1 具有國(guó)際最大的第3代半導(dǎo)體應(yīng)用市場(chǎng)

我國(guó)是國(guó)際半導(dǎo)體器件應(yīng)用的大國(guó)，同時(shí)也是第3代半導(dǎo)體器件的消費(fèi)大國(guó)。就電力電子器件而言，我國(guó)是全球最大的高鐵和新能源汽車生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，也是全球電力電子器件的重要消耗國(guó)，占全球電力電子器件市場(chǎng)40%，市場(chǎng)規(guī)模約為60億美元。在射頻器件方面，5G通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，將大力推動(dòng)我國(guó)GaN射頻技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

5.2.2 產(chǎn)品尚處于市場(chǎng)導(dǎo)入期，有望彎道超車

當(dāng)前，SiC電力電子器件在軌道交通、光伏、電動(dòng)汽車、白色家電、大數(shù)據(jù)/云計(jì)算中等領(lǐng)域開始示范應(yīng)用。GaN射頻器件也開始在移動(dòng)通信基站中應(yīng)用示范，我國(guó)主流通信系統(tǒng)公司華為公司、中興等已開展GaN射頻器件應(yīng)用研究。第3代半導(dǎo)體器件取代Si基器件已取得一定效果。但目前國(guó)內(nèi)外第3代半導(dǎo)體器件均處于產(chǎn)品驗(yàn)證評(píng)價(jià)階段，尚未進(jìn)入大規(guī)模推廣期。我國(guó)第3代半導(dǎo)體企業(yè)在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中已具備一定的優(yōu)勢(shì)和基礎(chǔ)，有望在政府和市場(chǎng)的推動(dòng)下實(shí)現(xiàn)彎道超車。

5.3 發(fā)展建議

5.3.1 持續(xù)提升自主創(chuàng)新能力，引領(lǐng)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展

在國(guó)家戰(zhàn)略整體布局下，以國(guó)家第3代半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新中心建設(shè)以核心，整合優(yōu)勢(shì)區(qū)域如北京、深圳、江蘇等地創(chuàng)新資源，圍繞第3代半導(dǎo)體技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展瓶頸，持續(xù)推進(jìn)第3代半導(dǎo)體材料、器件以及核心專用裝備的前沿技術(shù)創(chuàng)新，突破核心技術(shù)瓶頸，加快第3代半導(dǎo)體在能源、信息、交通等應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)鍵共性技術(shù)開發(fā)，形成自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)群，引領(lǐng)全國(guó)第3代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的自主創(chuàng)新能力提升。重點(diǎn)開發(fā)大尺寸、高質(zhì)量SiC、GaN等襯底材料制備核心技術(shù)和關(guān)鍵裝備；研發(fā)多品種新型結(jié)構(gòu)SiC、GaN器件，滿足高效大功率電力電子、信息、光電等領(lǐng)域應(yīng)用需求；研制滿足大功率密度特點(diǎn)封裝所需關(guān)鍵材料、技術(shù)與裝備；發(fā)展基于不同應(yīng)用需求的多尺度系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成技術(shù)等。

5.3.2 落實(shí)第3代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)政策，加速產(chǎn)業(yè)集聚

第3代半導(dǎo)體已處于市場(chǎng)導(dǎo)入的窗口期，各地政府紛紛出臺(tái)扶持政策，應(yīng)把握領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，加速推動(dòng)產(chǎn)業(yè)集聚發(fā)展，在產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)推動(dòng)產(chǎn)業(yè)上下游聯(lián)動(dòng)，規(guī)劃和搭建共性技術(shù)平臺(tái)，降低初創(chuàng)型創(chuàng)新企業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，提出企業(yè)創(chuàng)新能力。依托國(guó)家第3代半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新中心各平臺(tái)建設(shè)，盡快落實(shí)符合第3代半導(dǎo)體發(fā)展規(guī)律的針對(duì)性優(yōu)惠政策，打造第3代半導(dǎo)體領(lǐng)域服務(wù)平臺(tái)，從技術(shù)轉(zhuǎn)移、產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)、產(chǎn)業(yè)孵化、金融服務(wù)及配套服務(wù)（產(chǎn)品展示交易、品牌推廣、行業(yè)培訓(xùn)）等方面入手，優(yōu)化營(yíng)商環(huán)境，提升企業(yè)落地順義信心，形成產(chǎn)業(yè)集聚。

5.3.3 創(chuàng)新利益設(shè)計(jì)機(jī)制，構(gòu)建全流程價(jià)值鏈

創(chuàng)新利益設(shè)計(jì)機(jī)制，主動(dòng)引領(lǐng)和服務(wù)全國(guó)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，帶動(dòng)全國(guó)、輻射世界的跨學(xué)科、跨行業(yè)、跨區(qū)域的第3代半導(dǎo)體創(chuàng)新價(jià)值鏈。鼓勵(lì)第3代半導(dǎo)體領(lǐng)域的科研院所、企業(yè)開展高層次、國(guó)際化的技術(shù)、人才引進(jìn)以及國(guó)際合作，聚集全球優(yōu)勢(shì)資源在京建設(shè)成第3代半導(dǎo)體的研發(fā)、設(shè)計(jì)、孵化及標(biāo)準(zhǔn)中心，布局第3代半導(dǎo)體專利戰(zhàn)略和標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)；支持有條件的企業(yè)聯(lián)合開拓國(guó)際市場(chǎng)、聯(lián)手參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，不斷提升我國(guó)在第3代半導(dǎo)體領(lǐng)域的國(guó)際地位與產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.05.002