觀美日歐第3代半導體材料產(chǎn)業(yè)思中國發(fā)展之路

以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）為代表的第3代半導體材料具有高熱導率、高擊穿場強、高飽和電子漂移速率和高鍵合能等優(yōu)點，能夠滿足現(xiàn)代電子技術對高溫、高功率、高壓、高頻及抗輻射等條件的要求，在太陽能、半導體照明、智能電網(wǎng)等眾多領域應用不僅可以減少一半以上的能量損失，而且可以使裝備體積大大縮?。ㄈ绻P記本電腦適配器可減小80%，一個電站將只有手提箱那么大），在國防安全、航空航天、新能源、光存儲、石油勘探等多個領域有著廣闊的應用前景。正是由于第3代半導體材料的優(yōu)異性能、未來廣闊的應用空間以及對國家安全、經(jīng)濟發(fā)展、節(jié)能環(huán)保等多個方面可能帶來的巨大影響，使之成為各國競相發(fā)展的戰(zhàn)略高地。

一、美日歐建立了良好的發(fā)展基礎

1.美國：技術領先，擁有一批國際化生產(chǎn)企業(yè)

美國有很多大學、研究機構和公司都開展了第3代半導體材料單晶制備技術的研究，并一直處于技術領先地位。美國第3代半導體材料 SiC、GaN、氮化鋁（AlN）均已經(jīng)實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，形成了一批生產(chǎn)企業(yè)。如美國的科銳（Cree）公司、Bandgap公司、道康寧（Dow Corning）公司、IIVI公司、Instrinsic公司實現(xiàn)了碳化硅單晶拋光片商品化，其中Cree公司碳化硅單晶材料的技術水平可代表了國際水平；TDI、Kyma、ATMI、Cree、CPI等公司都成功生產(chǎn)出氮化鎵單晶襯底，Kym公司已經(jīng)可以出售1英寸、2英寸、3英寸氮化鎵單晶襯底；美國的TDI公司已經(jīng)完全掌握HVPE法制備AlN基片技術并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

2.日本：研究成果豐碩，形成了一批生產(chǎn)企業(yè)

日本也一直熱衷于第3代半導體材料的研究，取得了豐碩的研究成果，并形成了一批生產(chǎn)企業(yè)。如在SiC方面，Nippon和Sixon公司均已實現(xiàn)SiC單晶拋光片的產(chǎn)業(yè)化；在氮化鎵襯底方面，住友電工（SEI）和日立電線（Hitachi Cable）已經(jīng)能夠批量生產(chǎn)氮化鎵襯底，日亞（Nichia）、Matsushita、索尼（Sony）、東芝（Toshiba）等也對GaN開展了相關研究；在AlN方面，擁有東京農(nóng)工大學、三重大學、NGK公司、名城大學等技術研究單位，并已經(jīng)取得了一定成果；在氧化鋅（ZnO）方面，已經(jīng)具備直徑2英寸的高質(zhì)量ZnO單晶生長技術。

3.歐盟：擁有一定研發(fā)能力，具備材料的生產(chǎn)加工能力

歐盟第3代半導體材料實現(xiàn)SiC單晶拋光片的生產(chǎn)企業(yè)有芬蘭的Okmetic公司和德國的SiCrystal公司，從事氮化鎵體單晶的研究主要有波蘭的Top-GaN和法國的Lumilog兩家公司，其中Top-GaN生產(chǎn)GaN材料采用HVPE工藝。另外，瑞典的林雪平大學在HVPE法生長AlN方面也有一定的研究水平。

二、聯(lián)盟式創(chuàng)新發(fā)展成為美日歐的一致性選擇

1.美國：成立下一代功率電子技術國家制造業(yè)創(chuàng)新中心

2012年美國就支持下一代半導體技術的長期研究進行項目建議征集。美國國家標準與技術研究院（NIST）在第1年為項目提供260萬美元，并計劃持續(xù)資助5年時間。NIST希望獲得資助的項目包含以產(chǎn)業(yè)為導向的合作關系，如產(chǎn)業(yè)界、學術界、非營利機構、政府部門等組織，以幫助克服項目中的技術障礙，NIST傾向于資助一些機構組成的團體，這樣能夠超越單獨業(yè)界成員擁有的資源，展開廣泛深入的研究工作。

2014年1月15日，美國總統(tǒng)奧巴馬宣布由北卡羅來納州立大學率領一個由18家企業(yè)、7所大學和實驗室組成的聯(lián)盟，建設成立“下一代功率電子技術國家制造業(yè)創(chuàng)新中心”，關注下一代電力電子，通過寬帶隙半導體技術開發(fā)高能效、大功率的電子芯片，使發(fā)動機、消費電子產(chǎn)品及電網(wǎng)支撐器件類的電力電子器件更快速、更小巧、更高效（詳見表1）。美國能源部（DOE）將在5年內(nèi)投入資金7 000萬美元，同時該聯(lián)盟及北卡羅來納州也將匹配至少相同額度的經(jīng)費。通過成立創(chuàng)新中心，美國將電力電子供應鏈上的企業(yè)緊密聯(lián)系在一起，從材料研發(fā)與制造，到新型半導體芯片及器件的開發(fā)、設計和制造，再到芯片及器件在電力電子上的應用，推動產(chǎn)品和技術更快進入市場。不僅如此，創(chuàng)新中心的成立，還大大促進了成員間實現(xiàn)設備設施、測試及建模能力的共享，為成員輸送芯片設計及制造人員，提供培訓、高等教育課程和實習崗位等。

2.日本：設立了下一代功率半導體封裝技術開發(fā)聯(lián)盟

日本作為第3代半導體材料研究和產(chǎn)業(yè)化的強國，設立了“下一代功率半導體封裝技術開發(fā)聯(lián)盟”，由大阪大學牽頭，聯(lián)合了包括羅姆、三菱電機、松下電器在內(nèi)的18家從事SiC和GaN材料、器件以及應用技術開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的企業(yè)、大學和研究中心，共同開發(fā)第3代功率半導體封裝技術，以推動第3代半導體應用的快速產(chǎn)業(yè)化發(fā)展（詳見表2）。

3.歐洲：啟動了“LAST POWER”產(chǎn)學研項目

歐洲啟動了產(chǎn)學研項目“LAST POWER”，由意法半導體公司牽頭，協(xié)同來自意大利、德國、法國、瑞典、希臘和波蘭等6個歐洲國家的私營企業(yè)、大學和公共研究中心，聯(lián)合攻關SiC和GaN的關鍵技術（詳見表3）。項目通過研發(fā)高性價比且高可靠性的 SiC和GaN功率電子技術，使歐洲躋身于世界高能效功率芯片研究與商用的最前沿。

三、以聯(lián)盟式創(chuàng)新推動我國產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)協(xié)同式快速發(fā)展

從上述美日歐第3代半導體材料的發(fā)展及創(chuàng)新聯(lián)盟來看，我國發(fā)展第3代半導體材料需要依托產(chǎn)業(yè)鏈形成創(chuàng)新鏈，借以推動產(chǎn)業(yè)體系形成，培育一批擁有國際品牌的企業(yè)，在國際上搶占產(chǎn)業(yè)發(fā)展制高點。2015年9月，在國家科技部、工業(yè)和信息化部、北京市科學技術委員會的支持下，第3代半導體產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟正式成立，該聯(lián)盟包括以中國科學院半導體研究所為代表的科研機構，以北京大學、南京大學、西安電子科技大學為代表的大專院校，以三安光電股份有限公司、國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院、中興通訊股份有限公司、蘇州能訊高能半導體有限公司、山東天岳先進材料科技有限公司為代表的企業(yè)機構。當前我國第3代半導體材料研發(fā)與國外差距不大，如果通過產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同創(chuàng)新，完全有可能實現(xiàn)彎道超車，打破半導體產(chǎn)業(yè)受制于人的被動局面。

今后，我國應借力產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的協(xié)同作用，大力發(fā)展第3代半導體產(chǎn)業(yè)。一是進一步構建完整統(tǒng)一的高效聯(lián)盟。聯(lián)盟成員不僅要包括高校、研究機構、生產(chǎn)企業(yè)和下游應用企業(yè)，更要積極引入標準制定、檢測檢驗、技術認證等機構的加入，確保聯(lián)盟內(nèi)成員圍繞產(chǎn)業(yè)發(fā)展實現(xiàn)無縫對接。二是國家應對聯(lián)盟加大支持力度，在支持項目的選擇上，要向以產(chǎn)業(yè)發(fā)展為導向的合作項目予以傾斜；在資金支持方式選擇上，選擇 “政府+聯(lián)盟”方式，在政府加大項目資金支持力度的同時，要求聯(lián)盟及其成員單位配套相應的資金對項目進行支持；在支持方向上，選擇制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關鍵技術，以期打破制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術障礙。三是優(yōu)化整合聯(lián)盟資源，構建高效聯(lián)盟。加強聯(lián)盟成員間聯(lián)系，實現(xiàn)設備、信息、人才共享，發(fā)揮企業(yè)和科研機構產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢和資源優(yōu)勢，為高校學生提供實習基地和科研條件，同時助推高校為企業(yè)和科研機構輸入高水平的技術人才和科研人才?？傊?，要緊緊圍繞產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要，集合優(yōu)勢資源，發(fā)揮各方優(yōu)勢，形成促進產(chǎn)業(yè)發(fā)展的強效合力，更好推動產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。