第3代半導(dǎo)體發(fā)展概述及我國(guó)的機(jī)遇、挑戰(zhàn)與對(duì)策

第3代半導(dǎo)體材料是指帶隙寬度明顯大于硅（Si）（1.1eV）和砷化鎵（GaAs）（1.4eV）的寬禁帶半導(dǎo)體材料。它具備禁帶寬度大、擊穿電場(chǎng)高、熱導(dǎo)率大、電子飽和漂移速率高、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)越性能，是固態(tài)光源、下一代射頻和電力電子器件的“核心”，在半導(dǎo)體照明、消費(fèi)類(lèi)電子、5G移動(dòng)通信、新能源汽車(chē)、智能電網(wǎng)、軌道交通等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，有望突破傳統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù)的瓶頸，與第1代、第2代半導(dǎo)體技術(shù)互補(bǔ)，對(duì)節(jié)能減排、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、催生新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)發(fā)揮重要作用，正在成為全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)新的戰(zhàn)略高地。我國(guó)在半導(dǎo)體照明方面已經(jīng)形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈和一定的產(chǎn)業(yè)規(guī)模，成為全球發(fā)展最快的區(qū)域，為第3代半導(dǎo)體在其他領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。但我國(guó)在電力電子、通訊等領(lǐng)域的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化與國(guó)外差距較大，需要加大研發(fā)投入，建立體制機(jī)制創(chuàng)新的研發(fā)創(chuàng)新和科技服務(wù)平臺(tái)，構(gòu)建立足地方、帶動(dòng)全國(guó)、引領(lǐng)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，重塑全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展格局。

一、第3代半導(dǎo)體材料及應(yīng)用

半導(dǎo)體材料（Semiconductor Materials）是一類(lèi)具有半導(dǎo)體性能（導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間，電阻率約在1mΩ·cm～1GΩ·cm范圍內(nèi)），可用來(lái)制作半導(dǎo)體器件和集成電路的電子材料。半導(dǎo)體材料可以劃分為3個(gè)時(shí)代。

第1代半導(dǎo)體材料以Si和鍺（Ge）等元素半導(dǎo)體材料為代表，奠定了微電子產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。其典型應(yīng)用是集成電路（Integrated Circuit，IC），主要應(yīng)用于低壓、低頻、低功率晶體管和探測(cè)器，在未來(lái)一段時(shí)間，Si材料的主導(dǎo)地位仍將存在。但Si材料的物理性質(zhì)限制了其在高壓和高頻電子器件上的應(yīng)用。

第2代半導(dǎo)體材料以GaAs和磷化銦（InP）為代表，奠定了信息產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。GaAs材料的電子遷移率是Si的6倍，具有直接帶隙，故其器件相對(duì)Si器件具有高頻、高速的性能，被公認(rèn)為是很合適的通信用半導(dǎo)體材料。同時(shí)，其在軍事電子系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛且不可替代。然而，由于禁帶寬度范圍不夠大、擊穿電場(chǎng)較低，限制了其在高溫、高頻和高功率器件領(lǐng)域的應(yīng)用。另外，GaAs材料具有毒性，對(duì)環(huán)境和人類(lèi)健康存在威脅。

第3代半導(dǎo)體材料是指帶隙寬度明顯大于S（i1.1eV）和GaA（s1.4eV）的寬禁帶半導(dǎo)體材料（2.0～6.0eV），包括Ⅲ族氮化物﹝如氮化鎵（GaN）、氮化鋁（AlN）等﹞，碳化硅（SiC），寬禁帶氧化物﹝（如氧化鋅（ZnO）、氧化鎵（Ga2O3）、鈣鈦礦（CaTiO3）等）﹞及金剛石薄膜等寬禁帶半導(dǎo)體材料。與第1代、第2代半導(dǎo)體材料相比，第3代半導(dǎo)體材料禁帶寬度大，具有擊穿電場(chǎng)高、熱導(dǎo)率高、電子飽和速率高、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)越性質(zhì)，第3代半導(dǎo)體器件不僅能在更高的溫度下穩(wěn)定運(yùn)行，而且在高電壓、高頻率狀態(tài)下更為可靠，此外還能以較少的電能消耗，獲得更高的運(yùn)行能力。第3代半導(dǎo)體材料正在成為搶占下一代信息技術(shù)、節(jié)能減排及國(guó)防安全技術(shù)的戰(zhàn)略制高點(diǎn)，是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。

第3代半導(dǎo)體材料主要有3大應(yīng)用領(lǐng)域：電力電子、微波射頻和光電子。產(chǎn)業(yè)鏈主要包括材料、器件和應(yīng)用環(huán)節(jié)，具體如圖1所示。

第3代半導(dǎo)體電力電子器件包括SiC電力電子器件和GaN電力電子器件。SiC電力電子器件主要有肖特基二極管（SBD）、結(jié)勢(shì)壘控制肖特基二級(jí)管（JBS）、PiN二極管、金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)開(kāi)關(guān)管（MOSFET）、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)開(kāi)關(guān)管（JFET）、雙極型開(kāi)關(guān)管（BJT）、門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、發(fā)射極可關(guān)斷晶閘管（ETO）、絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)開(kāi)關(guān)管（IGBT）等；GaN電力電子器件主要是SBD和高電子遷移率晶體管（HEMT）。電力電子器件可按電壓等級(jí)，分為低電壓應(yīng)用（<1.2kV）、中電壓應(yīng)用（1.2～1.7kV）和高電壓應(yīng)用（>1.7kV）。低壓范圍主要用于消費(fèi)類(lèi)電子；中壓范圍主要用于新能源汽車(chē)、光伏逆變、工業(yè)電機(jī)、UPS等；高壓范圍主要用于智能電網(wǎng)、軌道交通等（詳見(jiàn)圖2）。

第3代半導(dǎo)體在微波射頻領(lǐng)域的應(yīng)用器件主要包括GaN HEMT和GaN單片微波集成電路（MMIC）。在相控雷達(dá)、電子對(duì)抗、導(dǎo)彈和無(wú)線(xiàn)電通信等軍事國(guó)防領(lǐng)域有巨大應(yīng)用潛力；在民用商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，可用于無(wú)線(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施（基站）、衛(wèi)星通信、有線(xiàn)電視和功率電子等。

基于氮化物的光電子器件包括發(fā)光二極管（LED）、激光二極管（LD）。采用LED器件的半導(dǎo)體照明是第3代半導(dǎo)體材料在光電子領(lǐng)域的成功應(yīng)用，廣泛應(yīng)用于景觀(guān)亮化、顯示指示、背光，尤其是LED在通用照明領(lǐng)域的應(yīng)用已成為推動(dòng)整個(gè)行業(yè)新一輪發(fā)展的最大動(dòng)力。隨著LED技術(shù)與新一代信息技術(shù)的融合發(fā)展，將催生智能照明、可見(jiàn)光通訊、醫(yī)療、健康、農(nóng)業(yè)等超越照明應(yīng)用。氮化物L(fēng)D由于電光轉(zhuǎn)換效率高、調(diào)制頻率高、體積小、成本低等潛在優(yōu)勢(shì)，在高密度信息存儲(chǔ)、激光顯示、水下及塑料光纖通信、激光打印復(fù)印、生物醫(yī)學(xué)、化學(xué)傳感等民用和軍用領(lǐng)域都有重要而廣泛的應(yīng)用。寬禁帶紫外探測(cè)器則可應(yīng)用于紫外預(yù)警、日盲探測(cè)、紫外成像、環(huán)境探測(cè)、熒光與光譜分析、高速流體分析、天文研究、同步輻射、粒子探測(cè)及閃光照明等諸多領(lǐng)域。

二、國(guó)外現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

國(guó)際上第3代半導(dǎo)體材料已經(jīng)取得了原理性的科學(xué)突破，即將進(jìn)入顛覆性技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用的階段。第3代半導(dǎo)體材料科學(xué)的基礎(chǔ)性研究和產(chǎn)業(yè)化技術(shù)已經(jīng)在美國(guó)、日本、歐盟3大區(qū)域初步發(fā)展成熟。第3代半導(dǎo)體科技的發(fā)展，不僅表現(xiàn)在襯底及外延材料尺寸不斷由小直徑向大直徑發(fā)展，也體現(xiàn)在材料質(zhì)量與器件性能的不斷飛躍。與此同時(shí)成本和價(jià)格不斷下降，推動(dòng)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的升級(jí)發(fā)展。

1.技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

在SiC襯底及外延片方面，正向大尺寸、低缺陷密度的方向發(fā)展。目前國(guó)際主流產(chǎn)品的尺寸是4英寸，價(jià)格以年均30%的速度下降。近期美國(guó)、日本多家公司推出6英寸SiC襯底及外延片，預(yù)計(jì)5年內(nèi)將成為市場(chǎng)主流。

在GaN襯底及外延方面，日本多家公司已在出售2～3英寸GaN襯底。在GaN外延片方面，美國(guó)科銳（Cree）公司、英國(guó)IQE等多家公司可以提供射頻器件用SiC襯底上GaN外延片，未來(lái)幾年內(nèi)仍將是軍用GaN射頻器件的主流材料。Si襯底上GaN外延片由于具有較高的性?xún)r(jià)比，被認(rèn)為L(zhǎng)ED及民用GaN電子器件的理想技術(shù)路線(xiàn)之一，目前4～6英寸的Si襯底上 GaN外延片已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，8英寸外延片也已被多家科研機(jī)構(gòu)和公司報(bào)道。

在電力電子器件方面，目前SiC SBD、JFET、BJT以及MOSFET均已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，產(chǎn)品耐壓范圍600～1 700V；而實(shí)驗(yàn)室耐壓水平已經(jīng)達(dá)到10～20kV量級(jí)?；贕aN材料的電力電子器件盡管耐壓能力低于SiC器件，但優(yōu)勢(shì)在于開(kāi)關(guān)速度快。目前Si襯底上GaN電力電子器件產(chǎn)品的耐壓為600V，實(shí)驗(yàn)室耐壓已經(jīng)超過(guò)2 000V，達(dá)到了市電應(yīng)用要求，展現(xiàn)出巨大的實(shí)用潛力。SiC與GaN電力電子器件差異分析詳見(jiàn)表1。

在微波射頻器件方面，GaN HEMT是新一代固態(tài)射頻功率器件的研究熱點(diǎn)。目前，GaN MMIC取得了令人矚目的成就，在帶寬、效率及高功率方面全面超越了GaAs技術(shù)。美國(guó)、日本等十幾家公司均推出了GaN射頻功率器件產(chǎn)品。

在光電子器件方面， LED技術(shù)日新月異。目前國(guó)際領(lǐng)先的LED企業(yè)有日本Nichia、德國(guó)Osram、美國(guó)Cree和Philips Lumileds等，主要采用藍(lán)寶石襯底外延GaN技術(shù)路線(xiàn)（Cree采用SiC襯底技術(shù)路線(xiàn)），產(chǎn)業(yè)化LED光效水平達(dá)到160 lm/W以上。另外，Si襯底上GaN外延技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟。目前，晶能光電有限公司、東芝、三星等多家國(guó)內(nèi)外公司均推出了大尺寸Si襯底上產(chǎn)業(yè)化大功率GaN LED芯片產(chǎn)品，光效達(dá)到130～140 lm/W，其高性?xún)r(jià)比得到了產(chǎn)業(yè)界的極大關(guān)注。此外，基于GaN材料的紫光、藍(lán)光、綠光LD、紫外探測(cè)器也是各大機(jī)構(gòu)研究的熱點(diǎn)。

2.產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

在電力電子領(lǐng)域，SiC和GaN器件正在滲透到以電動(dòng)汽車(chē)、消費(fèi)類(lèi)電子、新能源、軌道交通等為代表的民用領(lǐng)域。日本三菱電機(jī)公司在逆變器中采用SiC二極管和晶體管，開(kāi)發(fā)出世界上最小的電動(dòng)汽車(chē)馬達(dá)；豐田汽車(chē)公司在以“普銳斯”為原型的試制車(chē)上采用SiC器件的PCU，可使燃料效率提高5%以上。三星電子的音響產(chǎn)品“HTF9750W”的D級(jí)放大器已采用GaN器件；日本多家空調(diào)廠(chǎng)商開(kāi)始推出采用SiC器件的空調(diào)變頻驅(qū)動(dòng)器。安川電機(jī)和三菱電機(jī)分別推出采用GaN和SiC電力電子模塊的光伏逆變器，轉(zhuǎn)換效率均達(dá)到98%。東京地鐵銀座線(xiàn)的新“01系列車(chē)”采用三菱電機(jī)的SiC逆變器，系統(tǒng)電力損失減少30%以上。隨著性能不斷提升以及價(jià)格不斷下降，第3代半導(dǎo)體電力電子器件將在更多領(lǐng)域得到更為廣泛的應(yīng)用。據(jù)Yole預(yù)測(cè)，2020年，SiC與GaN功率器件市場(chǎng)規(guī)模約為9.6億美元，2015-2020年，全球SiC電力電子器件產(chǎn)值年增長(zhǎng)率達(dá)39%，GaN電力電子器件產(chǎn)值年增長(zhǎng)率達(dá)80%。

在微波射頻領(lǐng)域，GaN器件在民用市場(chǎng)和軍用市場(chǎng)都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。在民用市場(chǎng)，GaN射頻器件在5G通信領(lǐng)域需求顯著。5G通信的數(shù)據(jù)流量需求將是現(xiàn)有技術(shù)流量的1 000倍以上，屆時(shí)對(duì)GaN射頻器件的使用量將為現(xiàn)有GaAs器件的100倍以上。日本松下公司已推出業(yè)界最小的增強(qiáng)型600V-GaN功率晶體管。在軍用市場(chǎng)，GaN射頻器件需求快速增長(zhǎng)，僅戰(zhàn)斗機(jī)雷達(dá)對(duì)GaN射頻功率模塊的需求就將達(dá)到7 500萬(wàn)只。目前，美國(guó)海軍新一代干擾機(jī)吊艙及空中和導(dǎo)彈防御雷達(dá)（AMDR）已采用GaN射頻功放器件替代GaAs器件。據(jù)Yole預(yù)測(cè)，2020年末，GaN射頻器件市場(chǎng)規(guī)模將擴(kuò)大至目前的2倍，達(dá)到7.5億美元，年均復(fù)合增長(zhǎng)率20%。

在光電子領(lǐng)域，從全球范圍看，目前基于第3代半導(dǎo)體技術(shù)的半導(dǎo)體照明替代傳統(tǒng)光源已出現(xiàn)井噴式增長(zhǎng)，美國(guó)、歐洲等國(guó)家在光品質(zhì)及智能化等方面正加速發(fā)展。半導(dǎo)體照明已經(jīng)在景觀(guān)照明、液晶背光、大型顯示屏等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，在汽車(chē)照明、大尺寸液晶背光領(lǐng)域的應(yīng)用也進(jìn)入規(guī)?；A段。半導(dǎo)體照明在通用照明領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)全面啟動(dòng)，正成為其最大的應(yīng)用市場(chǎng)。據(jù)IHS信息咨詢(xún)公司2015年的報(bào)告顯示，2015年，LED燈安裝數(shù)量在整體照明產(chǎn)品在用量中的滲透率僅為6%，預(yù)計(jì)未來(lái)幾年有較快增長(zhǎng)，到2022年接近40%；半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展和規(guī)模生產(chǎn)，為發(fā)展高性?xún)r(jià)比的激光器、探測(cè)器奠定了基礎(chǔ)，加快了光電子器件應(yīng)用步伐。

三、國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

我國(guó)開(kāi)展第3代半導(dǎo)體的研究工作雖然起步比發(fā)達(dá)國(guó)家稍晚，但在國(guó)家科技計(jì)劃項(xiàng)目多年連續(xù)支持下，在技術(shù)和人才方面形成了良好的積累和基礎(chǔ)，并在國(guó)防、電動(dòng)汽車(chē)等領(lǐng)域已開(kāi)始相關(guān)器件的應(yīng)用。依托我國(guó)巨大的潛在應(yīng)用市場(chǎng)，通過(guò)需求牽引，有望帶領(lǐng)我國(guó)第3代半導(dǎo)體在新時(shí)期實(shí)現(xiàn)“彎道超車(chē)”，搶占第3代半導(dǎo)體戰(zhàn)略制高點(diǎn)。

1.技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

在SiC襯底及外延方面，我國(guó)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)2～4英寸SiC襯底的量產(chǎn)，開(kāi)發(fā)出6英寸SiC單晶樣品；然而襯底質(zhì)量與國(guó)際水平尚存在一定差距。在SiC外延方面，我國(guó)在進(jìn)口的SiC襯底上實(shí)現(xiàn)了2～4英寸SiC外延片量產(chǎn)，并已能小量提供6英寸外延片。

在GaN襯底和外延方面，我國(guó)形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的氫化物氣相外延（HVPE）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了2英寸自支撐GaN襯底小批量供貨；在GaN外延方面，成功生長(zhǎng)出高質(zhì)量的4英寸SiC襯底上GaN HEMT器件外延片。此外，已經(jīng)克服大尺寸Si襯底上GaN外延材料的開(kāi)裂和翹曲等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，開(kāi)始批量生產(chǎn)4～6英寸Si上GaN外延片，在實(shí)驗(yàn)室已能制備8英寸外延片，部分技術(shù)處于國(guó)際先進(jìn)水平。

在電力電子器件方面，國(guó)內(nèi)多家企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)已在進(jìn)口SiC外延片上研制出大容量SiC SBD和JFET，但綜合性能與國(guó)際先進(jìn)水平尚有一定差距；已具備SiC SBD的量產(chǎn)能力，產(chǎn)品耐壓范圍600～1200V，SiC MOSFET等晶體管產(chǎn)品研發(fā)能力尚有待提高。在GaN電力電子器件方面，已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了耐壓超過(guò)900V的Si上GaN電力電子器件，性能與國(guó)際先進(jìn)水平有較大差距，且暫未實(shí)現(xiàn)商品化?？上驳氖?，目前我國(guó)有多家Si器件廠(chǎng)商和LED廠(chǎng)商正在積極開(kāi)發(fā)Si上GaN電力電子技術(shù)，基于他們較強(qiáng)的產(chǎn)業(yè)化能力，實(shí)現(xiàn)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的跨越式發(fā)展可能性很大。

在微波射頻器件方面，我國(guó)已研制出覆蓋C波段至Ka波段的多款軍用GaN HEMT及MMIC，處于樣品試制、試用階段。目前GaN微波功率器件在低頻范圍內(nèi)的部分性能參數(shù)已經(jīng)接近國(guó)際先進(jìn)水平，但在可靠性、工藝技術(shù)等方面還存在較大差距。在民用方面，我國(guó)推出了用于無(wú)線(xiàn)通訊基站的GaN微波功率管，產(chǎn)品的多項(xiàng)指標(biāo)處于業(yè)界領(lǐng)先水平。

在光電子器件方面，LED技術(shù)與國(guó)際差距較小，部分技術(shù)國(guó)際領(lǐng)先。目前我國(guó)在藍(lán)寶石襯底上制備的功率型白光LED的產(chǎn)業(yè)化光效超過(guò)150 lm/W，在Si襯底上制備的功率型 LED的產(chǎn)業(yè)化光效超過(guò)140 lm/W，處于國(guó)際領(lǐng)先水平。伴隨著國(guó)內(nèi)LED技術(shù)的不斷成熟，生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，我國(guó)LED照明產(chǎn)品正以每年超過(guò)30%的降價(jià)幅度不斷接近節(jié)能燈等傳統(tǒng)照明產(chǎn)品價(jià)格，已開(kāi)始大規(guī)模進(jìn)入室內(nèi)外通用照明領(lǐng)域。

2.產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

在電力電子領(lǐng)域，目前，我國(guó)是電力電子器件全球最大應(yīng)用市場(chǎng)。在消費(fèi)類(lèi)電子、工業(yè)電機(jī)、智能電網(wǎng)、新能源并網(wǎng)、新能源汽車(chē)、大數(shù)據(jù)中心和移動(dòng)通訊基站等方面，均需大量高性能的第3代半導(dǎo)體電力電子器件和裝備。我國(guó)有近10家企事業(yè)單位分別開(kāi)展了SiC和GaN器件在電網(wǎng)、移動(dòng)通信等領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)研究。采用進(jìn)口SiC器件及模塊，在通訊電源功率因數(shù)校正（PFC）電路及光伏逆變器中實(shí)現(xiàn)了更小的體積和更高的效率。研究了GaN射頻功放技術(shù)在移動(dòng)通信領(lǐng)域中的應(yīng)用，在輸入、輸出寬帶匹配技術(shù)、視頻帶寬拓寬技術(shù)、電源及去耦技術(shù)、供電時(shí)序控制技術(shù)及適合于GaN功放的數(shù)字預(yù)失真（DPD）技術(shù)等方面形成了一定積累，已有產(chǎn)品針對(duì)細(xì)分市場(chǎng)實(shí)現(xiàn)小批量供貨。國(guó)家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟產(chǎn)業(yè)研究院（CSA Research）預(yù)測(cè)，到2020年，我國(guó)SiC與GaN功率器件產(chǎn)業(yè)整體市場(chǎng)規(guī)模約為226億元，其中GaN市場(chǎng)規(guī)模142億元，SiC市場(chǎng)規(guī)模85億元（詳見(jiàn)圖3）。2015-2020年，我國(guó)SiC電力電子器件復(fù)合增長(zhǎng)率將超過(guò)40%，GaN復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)到70%。

在微波射頻領(lǐng)域，我國(guó)4G和5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)對(duì)G a N射頻器件需求巨大。CSA Research預(yù)測(cè)，到2020年，我國(guó)GaN射頻器件產(chǎn)業(yè)的將達(dá)到104億元，較現(xiàn)有市場(chǎng)規(guī)模翻2番（詳見(jiàn)圖4）。僅在移動(dòng)通訊基站應(yīng)用領(lǐng)域，我國(guó)的GaN射頻器件的市場(chǎng)規(guī)模約為30億元，將帶動(dòng)射頻功率模塊產(chǎn)值超60億元，進(jìn)而帶動(dòng)4G及5G移動(dòng)通信基站終端設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模達(dá)約800億元。

在光電子領(lǐng)域，我國(guó)第3代半導(dǎo)體材料成功產(chǎn)業(yè)化的第一個(gè)突破口是半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)。我國(guó)半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，已經(jīng)形成了完整的產(chǎn)業(yè)鏈，產(chǎn)業(yè)規(guī)模持續(xù)增長(zhǎng)，芯片從無(wú)到有，替代進(jìn)口已經(jīng)達(dá)到75%，創(chuàng)新應(yīng)用走在世界前列，成為全球發(fā)展最快的區(qū)域，為實(shí)現(xiàn)我國(guó)第3代半導(dǎo)體材料及應(yīng)用的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。

據(jù)國(guó)家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（CSA）《2015年中國(guó)半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)及發(fā)展概況》統(tǒng)計(jì)，2015年，我國(guó)半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)整體規(guī)模達(dá)到4 245億元人民幣，其中上游外延芯片規(guī)模約151億元，中游封裝規(guī)模約615億元，下游應(yīng)用規(guī)模上升至3 479億元（詳見(jiàn)圖5）。功率型白光LED產(chǎn)業(yè)化光效超過(guò)150 lm/W，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的功率型硅襯底LED芯片產(chǎn)業(yè)化光效超過(guò)140 lm/W。以L(fǎng)ED為主營(yíng)業(yè)務(wù)上市公司增長(zhǎng)到25家，營(yíng)收持續(xù)增長(zhǎng)并購(gòu)整合成為重要趨勢(shì)，以龍頭企業(yè)為核心的星系化集團(tuán)逐步形成。我國(guó)已成為全球最大的半導(dǎo)體照明產(chǎn)品生產(chǎn)和出口地。

總體來(lái)說(shuō)，我國(guó)半導(dǎo)體照明技術(shù)與應(yīng)用接近國(guó)際先進(jìn)水平，自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的Si襯底LED、可見(jiàn)光定位等創(chuàng)新應(yīng)用處于國(guó)際領(lǐng)先水平；在第3代半導(dǎo)體電子器件應(yīng)用方面，日、美、歐在地鐵機(jī)車(chē)、新能源汽車(chē)、白色家電、光伏逆變器等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了應(yīng)用，而我國(guó)只在光伏逆變器等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了應(yīng)用。

3.國(guó)內(nèi)外差距及其原因分析

我國(guó)第3代半導(dǎo)體材料在照明領(lǐng)域取得了可喜成就，但第3代半導(dǎo)體材料在電力電子、通訊等領(lǐng)域的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化與國(guó)外差距還較大，如5G移動(dòng)通信、智能電網(wǎng)、軌道交通、新一代通用電源等，產(chǎn)業(yè)化方面的落后程度甚于技術(shù)層面的落后程度。研發(fā)投入不夠，缺乏技術(shù)戰(zhàn)略、產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略層面的統(tǒng)籌部署，組織管理模式與新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展特征與規(guī)律不相適應(yīng)。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)第3代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)存在的關(guān)鍵問(wèn)題突出表現(xiàn)在發(fā)展模式方面，特別是體制障礙。如應(yīng)用端與核心材料與器件分立，研發(fā)機(jī)構(gòu)與企業(yè)利益無(wú)法捆綁，缺乏對(duì)全產(chǎn)業(yè)鏈的頂層設(shè)計(jì)、系統(tǒng)布局，一體化整體實(shí)施，又無(wú)法解決產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中遇到的共性關(guān)鍵問(wèn)題。市場(chǎng)對(duì)新型產(chǎn)品和客戶(hù)的接受程度以及國(guó)外大企業(yè)對(duì)于市場(chǎng)的沖擊，對(duì)我國(guó)第3代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)形成了壓制風(fēng)險(xiǎn)，市場(chǎng)開(kāi)拓成本偏高，客戶(hù)驗(yàn)證時(shí)間較長(zhǎng)成為主要制約因素，特別是產(chǎn)業(yè)地方保護(hù)主義比較嚴(yán)重，無(wú)法形成國(guó)家層面的一盤(pán)棋。而且一旦有技術(shù)突破，低水平重復(fù)建設(shè)問(wèn)題突出，缺乏知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)、產(chǎn)業(yè)集中度、市場(chǎng)規(guī)范化以及創(chuàng)業(yè)環(huán)境等問(wèn)題，難以保障戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)健康、可持續(xù)發(fā)展。

四、我國(guó)面臨的機(jī)遇、挑戰(zhàn)與發(fā)展對(duì)策

1.發(fā)展機(jī)遇

面向全球性節(jié)能減排需求，發(fā)展基于第3代半導(dǎo)體材料的高效電能轉(zhuǎn)換技術(shù)刻不容緩。國(guó)際上照明耗能約占總電功率的20%，目前我國(guó)大陸地區(qū)占總電功率的12%～13%，預(yù)計(jì)到2020年將占19%。LED照明能效有望提高50%～70%，節(jié)能效果極其可觀(guān)。另外80%以上的用電能耗在白色家電、電子信息設(shè)備、可再生能源并網(wǎng)、工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、軌道交通等眾多領(lǐng)域中，節(jié)能潛力巨大。第3代半導(dǎo)體的應(yīng)用將掀起綠色能源消費(fèi)的巨大變革。

移動(dòng)互聯(lián)、大數(shù)據(jù)的信息化社會(huì)對(duì)第3代半導(dǎo)體材料提出了迫切需求?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”作為一種新的經(jīng)濟(jì)形態(tài)，將與社會(huì)經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域深度融合，并將成為提升實(shí)體經(jīng)濟(jì)創(chuàng)新力和生產(chǎn)力的技術(shù)基礎(chǔ)，而基于互聯(lián)網(wǎng)的移動(dòng)通訊產(chǎn)業(yè)、大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)必將迅猛發(fā)展，支撐大量移動(dòng)終端、海量數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)中心運(yùn)行的材料需求非常迫切。第3代半導(dǎo)體材料由于工作頻率高、功率大、穩(wěn)定性強(qiáng)，能夠制造高效節(jié)能，小型化、輕量化、低成本的器件，將成為發(fā)展新一代移動(dòng)通訊的重要選擇。

空天、國(guó)防技術(shù)和現(xiàn)代大型牽引電力等設(shè)備的重大需求。航空、航天和國(guó)防應(yīng)用都有嚴(yán)格的體積、質(zhì)量和尺寸限制。GaN材料的功率密度是現(xiàn)有GaAs器件的10倍，是制造微波器件的理想材料，正在并將更廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、電子對(duì)抗、智能化系統(tǒng)及火控裝備等空天和國(guó)防領(lǐng)域。

2.發(fā)展挑戰(zhàn)

我國(guó)第3代半導(dǎo)體材料技術(shù)在國(guó)家科技計(jì)劃持續(xù)支持下已經(jīng)取得了較好的發(fā)展，但要實(shí)現(xiàn)彎道超車(chē)、搶占制高點(diǎn)的艱巨任務(wù)，還面臨著巨大挑戰(zhàn)。

（1）需要打破體制障礙、統(tǒng)籌部署、集中投入、形成發(fā)展合力

第3代半導(dǎo)體材料及應(yīng)用技術(shù)涉及材料、能源、交通、信息、自動(dòng)化等多個(gè)領(lǐng)域，從材料研發(fā)到工程化應(yīng)用，需要巨大的研發(fā)資金投入，單個(gè)部門(mén)難以支撐。我國(guó)先后對(duì)一些單元技術(shù)進(jìn)行部署，并取得重要進(jìn)展，但由于若干體制障礙，缺乏對(duì)全產(chǎn)業(yè)鏈的整體考慮，因此投入相對(duì)分散，無(wú)法解決產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中遇到的共性關(guān)鍵問(wèn)題，難以支撐我國(guó)第3代半導(dǎo)體科技整體追趕國(guó)際先進(jìn)水平，無(wú)法滿(mǎn)足相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的市場(chǎng)需求。

（2）企業(yè)創(chuàng)新主體作用發(fā)揮不足，公共研發(fā)服務(wù)平臺(tái)缺位

第3代半導(dǎo)體材料、器件和模塊的制造需要尖端設(shè)備、高等級(jí)潔凈環(huán)境和先進(jìn)的測(cè)試及研發(fā)平臺(tái)。目前國(guó)內(nèi)從事第3代半導(dǎo)體研發(fā)的企業(yè)單體規(guī)模小，資金投入不足，研發(fā)機(jī)構(gòu)比較分散，創(chuàng)新速度慢，工程化技術(shù)是短板、成果轉(zhuǎn)化難，公共平臺(tái)缺位，使研發(fā)“死亡谷”現(xiàn)象嚴(yán)重，急需建立體制機(jī)制創(chuàng)新、開(kāi)放、國(guó)際化的第3代半導(dǎo)體材料共性關(guān)鍵技術(shù)的公共研發(fā)平臺(tái)。

（3）產(chǎn)業(yè)鏈未打通，產(chǎn)業(yè)體系未建立，整體創(chuàng)新環(huán)境待完善

第3代半導(dǎo)體材料及應(yīng)用多領(lǐng)域，多學(xué)科交叉、融合特點(diǎn)明顯，從基礎(chǔ)研發(fā)到工程化應(yīng)用的創(chuàng)新鏈很長(zhǎng)，但目前應(yīng)用端與核心材料、器件分離，無(wú)法形成利益共同體，缺乏對(duì)全產(chǎn)業(yè)鏈的頂層設(shè)計(jì)、系統(tǒng)布局，一體化整體實(shí)施。且現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)、檢測(cè)、認(rèn)證等產(chǎn)業(yè)體系和環(huán)境建設(shè)方面的行業(yè)規(guī)則、辦事程序和體制機(jī)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(guò)程中的問(wèn)題和障礙。

3.發(fā)展對(duì)策

（1）建立跨部門(mén)協(xié)調(diào)機(jī)制，統(tǒng)籌規(guī)劃，形成合力

在國(guó)家層面形成跨部門(mén)協(xié)同、跨區(qū)域組織的協(xié)調(diào)機(jī)制和多部門(mén)聯(lián)合的配套性政策。不僅在各項(xiàng)科研計(jì)劃、整體目標(biāo)的決策上做到頂層設(shè)計(jì)、統(tǒng)籌部署，而且在打通創(chuàng)新鏈各環(huán)節(jié)上出臺(tái)政策措施，確保在技術(shù)應(yīng)用、成果轉(zhuǎn)化、示范推廣、標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)認(rèn)證等市場(chǎng)培育的過(guò)程中，形成持續(xù)、配套的政策合力。特別是對(duì)顛覆性技術(shù)、跨界融合的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、培育新的應(yīng)用、新商業(yè)模式等方面，更需要加大體制機(jī)制改革。鼓勵(lì)社會(huì)資本投入研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化，通過(guò)新型模式鼓勵(lì)社會(huì)資本參與設(shè)立第3代半導(dǎo)體科技產(chǎn)業(yè)基金，實(shí)現(xiàn)國(guó)家投入放大增效。

（2）支持開(kāi)放的研發(fā)與服務(wù)平臺(tái)建設(shè)，構(gòu)建產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的全體系

貫穿材料研發(fā)、生產(chǎn)、應(yīng)用的全鏈條發(fā)展模式，以目標(biāo)與問(wèn)題為導(dǎo)向，構(gòu)建公共的研發(fā)創(chuàng)新平臺(tái)和科技服務(wù)平臺(tái)，補(bǔ)齊研發(fā)成果轉(zhuǎn)化的短板，強(qiáng)化工程化階段的公共服務(wù)。以需求引導(dǎo)和市場(chǎng)化的手段，形成開(kāi)放、可持續(xù)的協(xié)同創(chuàng)新局面，如以增量激活存量，充分利用、統(tǒng)籌銜接現(xiàn)有機(jī)構(gòu)的人才優(yōu)勢(shì)、研發(fā)優(yōu)勢(shì)和設(shè)備硬件等條件，重點(diǎn)解決技術(shù)集成化和工程化應(yīng)用中的薄弱環(huán)節(jié)和關(guān)鍵問(wèn)題。促進(jìn)創(chuàng)新成果快速產(chǎn)業(yè)化，在研發(fā)創(chuàng)新平臺(tái)建設(shè)的同時(shí)還要加大科技服務(wù)平臺(tái)建設(shè)，形成研發(fā)與服務(wù)的“雙螺旋”驅(qū)動(dòng)。打破部門(mén)壟斷和行業(yè)壁壘，全方位加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)、檢測(cè)和認(rèn)證體系建設(shè)，有序開(kāi)放檢驗(yàn)檢測(cè)認(rèn)證市場(chǎng)，打破部門(mén)壟斷和行業(yè)壁壘，鼓勵(lì)不同所有制檢驗(yàn)檢測(cè)認(rèn)證機(jī)構(gòu)平等參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。

（3）以人為本，構(gòu)建創(chuàng)新人才引進(jìn)和團(tuán)隊(duì)培養(yǎng)體系

率先突破科技環(huán)境建設(shè)障礙，支持科技服務(wù)實(shí)體享受高新企業(yè)待遇建立健全科學(xué)合理的選人、用人、育人機(jī)制，加快培養(yǎng)專(zhuān)業(yè)技術(shù)人才、經(jīng)營(yíng)管理人才、技能人才。鼓勵(lì)海外專(zhuān)家在研發(fā)和產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)區(qū)域創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)，加強(qiáng)海外人才及創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)的引進(jìn)工作；落實(shí)混合所有制機(jī)構(gòu)在人才引進(jìn)、落戶(hù)等方面的政策；支持科技服務(wù)實(shí)體享受高新技術(shù)企業(yè)待遇。落實(shí)深化科技成果使用處置和收益管理改革試點(diǎn)，鼓勵(lì)高等學(xué)校、科研院所、國(guó)有企業(yè)提高職務(wù)發(fā)明成果所得收益用于獎(jiǎng)勵(lì)研發(fā)及成果轉(zhuǎn)化人員的比例。

（4）加強(qiáng)國(guó)際與區(qū)域交流合作

吸引集聚全球科技資源，開(kāi)展更深層次、多形式的科技合作。廣泛參與高層次國(guó)際科技合作，在更高起點(diǎn)上推進(jìn)自主創(chuàng)新；搭建國(guó)際化的技術(shù)創(chuàng)新平臺(tái)、科技服務(wù)平臺(tái)，主動(dòng)參與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制訂，提高國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)話(huà)語(yǔ)權(quán)；積極參與和推動(dòng)國(guó)際科技和產(chǎn)業(yè)合作，在有明確目標(biāo)導(dǎo)向的重大應(yīng)用方面，以應(yīng)用促發(fā)展，引進(jìn)核心器件等技術(shù)再創(chuàng)新，與自主創(chuàng)新同步發(fā)展。鼓勵(lì)企業(yè)對(duì)接“一帶一路”等國(guó)家重大戰(zhàn)略部署，推進(jìn)技術(shù)研發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)、應(yīng)用示范、產(chǎn)業(yè)化等方面實(shí)質(zhì)性合作。

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