■文/孫云杰 胡月 袁立科（中國科學技術發(fā)展戰(zhàn)略研究院）

近年來，隨著全球貿(mào)易摩擦持續(xù)加劇，半導體作為信息產(chǎn)業(yè)的基石成為各國競爭的焦點。2022年8月，美國發(fā)布《芯片與科學法案》，投資半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展，重振制造業(yè)。相較于第一代和第二代半導體材料，以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）為代表的第三代半導體材料因其高頻、耐高壓、耐高溫、抗輻射能力強等優(yōu)越性能，在培育戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)、帶動高技術產(chǎn)業(yè)發(fā)展、保障國計民生和國防安全等方面具有重要作用?！吨腥A人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》明確提出要在“集成電路”領域發(fā)展“碳化硅、氮化鎵等寬禁帶半導體”。當前，第三代半導體技術處于產(chǎn)業(yè)爆發(fā)前的“搶跑”階段，有望成為中國半導體產(chǎn)業(yè)的突圍先鋒。

一、中國第三代半導體技術發(fā)展階段研判與趨勢分析

第三代半導體材料主要應用于功率電子、微波射頻和光電子等，是支撐下一代移動通信、新能源汽車、高速列車、能源互聯(lián)網(wǎng)、國防軍工等產(chǎn)業(yè)自主創(chuàng)新和轉(zhuǎn)型升級的重點核心材料。

（一）中國第三代半導體技術處于跟跑階段

中國半導體產(chǎn)業(yè)起步于20世紀50年代，與日韓發(fā)展半導體的時間相近。然而，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，中國半導體行業(yè)被美國和日本拉開較大差距。根據(jù)美國半導體行業(yè)協(xié)會（SIA）數(shù)據(jù)，近20年來，美國半導體公司長期占據(jù)全球最大的市場份額，2021年達46%，韓國為21%，日本為9%，中國大陸僅為7%。相比于第一代、第二代半導體而言，中國與主要國家同處于第三代半導體技術產(chǎn)業(yè)爆發(fā)初期，正面臨逆勢翻盤的良好時機。

中國第三代半導體材料在國際上還處于跟跑階段，與美國等技術領先國家存在一定差距。從全球產(chǎn)業(yè)鏈來看，第三代半導體材料、芯片、裝備等已從研發(fā)階段發(fā)展到規(guī)?；慨a(chǎn)階段，吸引全球資本加速涌入。相比而言，國內(nèi)第三代半導體技術大部分處于研發(fā)階段，正在朝產(chǎn)業(yè)化應用方向發(fā)展。根據(jù)大為innojoy專利檢索系統(tǒng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，截至2021年10月，全球涉及第三代半導體材料GaN和SiC的相關專利共計23 738項，其中中國專利5232項、美國專利2772項。中國第三代半導體技術相關專利前10位的專利申請主體中，60%為高校及科研院所，前三位為西安電子科技大學（214項）、華燦光電（212項）和中國科學院半導體研究所（207項）。美國前10位專利申請主體中的80%為企業(yè)，前三位為克里公司（299項）、通用電氣（132項）以及國際商業(yè)機器公司（111項）?？梢姡瑖鴥?nèi)外在第三代半導體方面的研究存在差異性，美國等發(fā)達國家在該領域的研發(fā)主要集中在企業(yè)，研發(fā)成果更貼近市場，具有市場競爭力；國內(nèi)的研發(fā)主要集中在高校及科研院所，產(chǎn)業(yè)化應用方面還相對欠缺。

（二）中國第三代半導體技術主要環(huán)節(jié)與國外的差距

在襯底方面，中國與國際領先水平存在三年以上差距。中國SiC襯底以4英寸為主，逐步向6英寸過渡；國外以6英寸為主，開始研發(fā)和生產(chǎn)8英寸（見表1）。從市場來看，美國Wolfspeed的SiC晶圓產(chǎn)量占據(jù)全球60%以上，日本和歐洲緊隨其后。GaN單晶襯底價格昂貴，主要用于光電子器件中的激光器，中國蘇州納維科技是國際上少有的幾家能夠批量生產(chǎn)2英寸GaN的企業(yè)之一。

表1 第三代半導體核心技術掌握程度比較

在外延方面，中國與國際領先水平差距正在縮小，國內(nèi)已有企業(yè)供應6～8英寸外延，但生產(chǎn)質(zhì)量需進一步提升。歐洲在SiC外延片方面優(yōu)勢較大，典型的公司包括瑞典的Norstel、德國的英飛凌和瑞士的意法半導體。東莞天域和瀚天天成均能夠供應3英寸至6英寸的SiC外延，國內(nèi)企業(yè)已可以批量生產(chǎn)8英寸硅基GaN外延片。

在器件制造方面，中國專利儲備與國際領先水平的差距較小。相比SiC，中國在GaN器件領域的發(fā)展更為迅速。GaN基FET器件相關專利全球共有2萬多件，其中美國占31.1%，日本占22.2%，中國占21.0%。美國Wolfspeed、中國臺灣地區(qū)的臺積電和西安電子科技大學在該領域有一定優(yōu)勢。Micro LED相關專利全球共有2500多件，其中中國占40.8%，美國占25.7%，日本占6.1%。Micro LED全球?qū)＠饕暾埲伺琶?，國外Facebook和蘋果公司分列第一、第二，國內(nèi)京東方、歌爾股份、三安光電等名列前茅。

（三）中國第三代半導體技術發(fā)展趨勢

第三代半導體技術的發(fā)展對于促進社會節(jié)能減排、實現(xiàn)“碳中和”目標具有重要意義。北京順義、山東濟南和深圳坪山均出臺了相關政策，支持第三代半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展，形成了國內(nèi)第三代半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展三大集聚區(qū)。同時，中國也具備了較好的第三代半導體技術研發(fā)基礎，形成部分知識產(chǎn)權優(yōu)勢。當前，國外第三代半導體技術尚未形成專利、標準和規(guī)模的完全壟斷，中國在市場和應用領域具有顯著的戰(zhàn)略優(yōu)勢，可以通過自主創(chuàng)新，在不久的將來實現(xiàn)完全自主知識產(chǎn)權。

近年來，第三代半導體材料體系也在不斷發(fā)展，除碳化硅和氮化鎵以外，金剛石、氧化鎵、氮化硼等超寬禁帶半導體材料也在逐漸步入應用視野，二維氮化鎵等二維材料也備受關注。面對新時代、新環(huán)境、新需求，第三代半導體材料所具有的獨特性，有望能突破傳統(tǒng)半導體技術瓶頸，支撐5G通信、國防軍工、新能源汽車和新能源光伏等領域的發(fā)展，對經(jīng)濟社會發(fā)展發(fā)揮重要的推動作用。

二、中國第三代半導體技術發(fā)展面臨的瓶頸

第三代半導體技術涉及材料、能源、交通、信息、裝備、自動化等多個領域，從基礎研究到工程化應用的創(chuàng)新鏈較長。目前，中國第三代半導體技術在原始創(chuàng)新、制造技術、工程化、產(chǎn)業(yè)化等方面尚存在發(fā)展瓶頸。

（一）頂層設計缺乏，原始創(chuàng)新能力和人才儲備均顯不足

中國從21世紀初就開始部署第三代半導體領域的研究開發(fā)，國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃等均啟動了相關研究項目，取得一系列研究成果。然而，相較于第三代半導體技術的廣闊應用領域，中國第三代半導體技術原始創(chuàng)新能力仍有不足，很多重大科學技術問題亟待解決，如深紫外發(fā)光和激光領域第三代半導體的P型摻雜、第三代半導體的點缺陷問題等（張亮亮、李瑞，2021）。從體制機制來看，長期以來，中國對于第三代半導體技術的支持缺乏國家戰(zhàn)略層面的頂層設計，相比而言，2022年美國出臺的《芯片與科學法案》，制定了詳細的半導體領域研發(fā)投資規(guī)劃與人才培養(yǎng)計劃，體現(xiàn)了政府支持的系統(tǒng)性和規(guī)劃性。從研發(fā)投入來看，相較于發(fā)達國家對于芯片領域長期穩(wěn)定的支持，中國對于第三代半導體技術的研發(fā)重視程度不高，支持力度有限，且存在研發(fā)投入不集中、不持續(xù)等問題，資金被零散化分配，難以解決基礎研究及關鍵技術短板問題。從人才儲備來看，第三代半導體專業(yè)人才缺乏也是制約原始創(chuàng)新能力提升的核心要素，中國尚未建立系統(tǒng)的第三代半導體人才培養(yǎng)體系，人才引進也受到國際形勢制約。根據(jù)《中國集成電路產(chǎn)業(yè)人才發(fā)展報告》，按2014—2023年復合增長率20%計算，預計到2023年中國集成電路產(chǎn)業(yè)規(guī)模將達15 484億元；到2024年，全行業(yè)人才需求將達到78.9萬人左右，人才缺口21.83萬人。

（二）關鍵生產(chǎn)設備緊缺，制造技術尚未完全成熟

中國半導體領域缺乏關鍵生產(chǎn)設備的問題長期存在。在芯片生產(chǎn)領域，光刻機是至關重要的生產(chǎn)設備。近年來，美日等發(fā)達國家限制對中國出口先進芯片制造設備，實行光刻機封鎖?，F(xiàn)階段，中國自主研發(fā)的國產(chǎn)技術設備還無法滿足產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要，進一步制約了中國高端芯片的發(fā)展。中國第三代半導體核心制造技術尚未完全成熟，穩(wěn)定性和可靠性是短板，企業(yè)生產(chǎn)風險較大。例如，大尺寸晶圓生產(chǎn)線對材料技術和生產(chǎn)技術的要求高，國內(nèi)大尺寸晶圓制造技術仍處于起步階段，成本高昂，優(yōu)良率較低。但國內(nèi)企業(yè)正在大力部署大尺寸晶圓生產(chǎn)線，生產(chǎn)風險加劇的同時，也帶來重復建設問題。據(jù)統(tǒng)計，截至2020年底國內(nèi)至少已有8條6英寸SiC晶圓制造生產(chǎn)線，另有約10條在建SiC生產(chǎn)線，有5條4英寸GaN-on-SiC生產(chǎn)線，有5條在建GaN射頻產(chǎn)線（劉中正，2019）。

（三）中試平臺成本高，工程化技術水平較低

第三代半導體研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化需要昂貴的生產(chǎn)和工藝設備、高等級的潔凈環(huán)境和先進的測試分析平臺，資金投入較大，運行成本高。目前國內(nèi)進行第三代半導體研發(fā)的科研機構和企業(yè)多為單兵作戰(zhàn)，已有中車時代、世紀金光、全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院和中國電子科技集團公司第五十五研究所等4條6英寸SiC器件中試線。由于缺乏開放的公共研發(fā)、服務及產(chǎn)業(yè)化中試平臺，很多企業(yè)難以進行工程化研發(fā)與試驗，工程化技術成為突出的短板，導致第三代半導體的研發(fā)創(chuàng)新速度較慢。

（四）國產(chǎn)材料和器件難以進入應用供應鏈，技術產(chǎn)業(yè)化能力較弱

第三代半導體下游應用幾乎遍及所有用電領域，包括光電子、電力電子和微波射頻。國外第三代半導體企業(yè)正在推進與終端應用企業(yè)強綁定合作，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)布局。2019年，意法半導體被雷諾、日產(chǎn)、三菱聯(lián)盟指定為高能效碳化硅技術合作伙伴，為聯(lián)盟新一代電動汽車的先進車載充電器（OBC）提供功率電子器件。目前中國第三代半導體材料和器件（如Micro LED）在關鍵技術上持續(xù)突破，但技術產(chǎn)業(yè)化和市場應用未能協(xié)同發(fā)展，標準、檢測、認證等方面行業(yè)配套不足，國產(chǎn)器件進入應用供應鏈難度大、周期長，難以通過應用驗證進行迭代研發(fā)，導致產(chǎn)業(yè)化能力提升較慢。

三、中國第三代半導體技術發(fā)展相關建議

（一）加大研發(fā)支持力度，加強原始創(chuàng)新和核心技術攻關

“十四五”國家重點研發(fā)計劃已明確將第三代半導體作為重要發(fā)展方向，政府層面需按照遵循規(guī)律、聚焦重點、目標導向原則，進行統(tǒng)籌安排和長遠部署。一是做好頂層設計，從資金、人才、組織等層面進行創(chuàng)新要素整合，堅持全國一盤棋，一體化部署，全鏈條設計。二是整合科研平臺，聚焦第三代半導體材料核心技術開展攻關計劃，強化國家自然科學基金委對第三代半導體領域的基礎研究支持。三是引導投融資機構、企業(yè)共同設立第三代半導體發(fā)展專項基金，聚焦行業(yè)生產(chǎn)技術瓶頸和市場應用場景需求進行支持。

（二）加速推進人才引進與培育，構建產(chǎn)教融合人才培養(yǎng)體系

當前，破解人才難題是推動我國第三代半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要任務。一是強化人才引進與培育頂層設計，掌握第三代半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展所需的人才類別、規(guī)模及緊迫程度，強化定向引才和柔性引才，強化企業(yè)與國內(nèi)高校、研究機構的對接，通過大數(shù)據(jù)等方式提高人才供需匹配精確度。二是加快制定人才教育培養(yǎng)計劃，大力推進產(chǎn)教融合、協(xié)同育人戰(zhàn)略，積極促進產(chǎn)業(yè)和高校院所合作，形成產(chǎn)教融合高層次研發(fā)人才培養(yǎng)體系。三是優(yōu)化學科人才培養(yǎng)結構體系和學科布局，聚焦第三代半導體技術，形成面向科技前沿和產(chǎn)業(yè)主戰(zhàn)場的人才培養(yǎng)格局。

（三）加快產(chǎn)業(yè)全鏈條部署，推動完善產(chǎn)業(yè)生態(tài)環(huán)境

結合第三代半導體技術發(fā)展階段和產(chǎn)業(yè)成熟度，加快產(chǎn)業(yè)全鏈條部署，聚焦生產(chǎn)技術薄弱環(huán)節(jié)，強化產(chǎn)業(yè)上下游合作對接，推動產(chǎn)業(yè)生態(tài)健康發(fā)展。一是充分發(fā)揮第三代半導體產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟和國家第三代半導體技術創(chuàng)新中心的作用，整合企業(yè)、高校、科研院所的研發(fā)力量，提升生產(chǎn)制造技術水平，解決產(chǎn)業(yè)化共性技術問題。二是推動構建從研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化到應用全鏈條、跨領域、跨地域利益共同體，加強跨地區(qū)的上下游產(chǎn)業(yè)對接，共同承擔風險與分享收益。三是在新能源汽車、移動通信、智能制造、智慧城市等領域，搭建國家級測試驗證和生產(chǎn)應用示范平臺，推動第三代半導體國產(chǎn)材料和器件示范應用。

（四）加強跨國跨區(qū)精準合作，提升國際競爭力

針對目前復雜多變的國際形勢，開展精準、個性化、多形式的科技合作。第三代半導體技術主要集中在美國、日本和德國等國家。在當前與美合作受限的形勢下，要加強與日本、德國的聯(lián)系，與有成熟技術的機構、企業(yè)和研發(fā)團隊開展深度合作。大膽探索人才的“雙跨”機制，舉辦全球創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大獎賽，開展異地/異國孵化，建立并不斷完善雙向基金聯(lián)合投入等國際化合作新模式。