新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換引領(lǐng)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展

半導(dǎo)體照明聯(lián)合創(chuàng)新國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任

國(guó)家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟研發(fā)執(zhí)行主席李晉閩

第三代半導(dǎo)體材料憑借其極其重要和具有戰(zhàn)略性的應(yīng)用價(jià)值，成為提升新一代信息技術(shù)核心競(jìng)爭(zhēng)力的重要支撐。第一代半導(dǎo)體材料以硅（Si）和鍺（Ge）等元素半導(dǎo)體為代表，奠定了微電子產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)；第二代半導(dǎo)體材料以砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP）為代表，奠定了信息產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）為代表的第三代半導(dǎo)體材料，其特有的高功率、高電壓、高頻率、高光效、高工作溫度等特性，在半導(dǎo)體照明、新一代移動(dòng)通信、能源互聯(lián)網(wǎng)、高速軌道交通、新能源汽車(chē)、消費(fèi)類(lèi)電子等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，逐漸成為支撐綠色、低碳、智能社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展的電子信息基礎(chǔ)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，第三代半導(dǎo)體是支撐國(guó)家重大戰(zhàn)略需求、實(shí)現(xiàn)引領(lǐng)發(fā)展、重塑全球半導(dǎo)體戰(zhàn)略格局的重大選擇，是一項(xiàng)推動(dòng)新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)的基礎(chǔ)性重要工作。

發(fā)展第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的必要性

二十一世紀(jì)是綠色發(fā)展的時(shí)代，綠色、低碳、智能成為現(xiàn)今社會(huì)發(fā)展的顯著特點(diǎn)，材料、信息、能源支撐了社會(huì)發(fā)展的需要,全球范圍內(nèi)對(duì)于節(jié)能和性能的需要對(duì)半導(dǎo)體材料和器件提出了更高的要求，在這其中，第三代半導(dǎo)體的顯著優(yōu)勢(shì)引發(fā)了全球矚目，并成為半導(dǎo)體技術(shù)研究前沿和產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。當(dāng)前，以氮化鎵、碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體在光電子、微波射頻、電力電子三大領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用前景并已得到了部分應(yīng)用。其中，氮化鎵基材料體系是唯一覆蓋可見(jiàn)光到紫外波長(zhǎng)范圍的半導(dǎo)體發(fā)光材料體系，基于氮化鎵體系材料的半導(dǎo)體照明成為最主流的照明手段，氮化鎵同時(shí)是目前能同時(shí)實(shí)現(xiàn)高頻、高效、大功率的唯一材料，能夠滿(mǎn)足例如5G通信中40GHz以上的頻率覆蓋和幾瓦到幾百瓦輸出功率。碳化硅是目前已知的可達(dá)到萬(wàn)伏千安等級(jí)的唯一功率半導(dǎo)體材料，未來(lái)在超特高壓輸電、全球能源互聯(lián)網(wǎng)的建立上將得到廣泛應(yīng)用。

發(fā)展第三代半導(dǎo)體是落實(shí)能源戰(zhàn)略、發(fā)展綠色經(jīng)濟(jì)的重要舉措。第三代半導(dǎo)體在用于工業(yè)電機(jī)、消費(fèi)類(lèi)電子等方面的通用電源上，比現(xiàn)有硅技術(shù)的節(jié)能有明顯優(yōu)勢(shì)。供電系統(tǒng)中100%電能從光伏電站到電網(wǎng)傳輸，再到適配器，最終到達(dá)終端負(fù)載僅能剩余70%，而GaN器件可在每個(gè)變電環(huán)節(jié)減少2%-3%的電能損耗，從電站到終端負(fù)載可節(jié)電10-15%，到2030年我國(guó)總發(fā)電量將達(dá)到10萬(wàn)億度，如果GaN器件實(shí)現(xiàn)30%市場(chǎng)替代率，預(yù)計(jì)可節(jié)電約3000億度。

第三代半導(dǎo)體既是支撐節(jié)能環(huán)保，應(yīng)對(duì)能源與環(huán)境嚴(yán)峻挑戰(zhàn)的重要措施，又是開(kāi)啟萬(wàn)物互聯(lián)，支撐智能社會(huì)的發(fā)展的必要手段。第三代半導(dǎo)體為移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信提供峰值10Gbps以上的帶寬、毫秒級(jí)時(shí)延和超高密度連接的核心器件，并為移動(dòng)終端、智能設(shè)備提供低能耗、小型化、便攜式的供電系統(tǒng)，為下一代的移動(dòng)通信、衛(wèi)星通訊創(chuàng)造了得天獨(dú)厚的條件。例如一部雷達(dá)造價(jià)2億多美元，70%為精密器件，使用了數(shù)萬(wàn)個(gè)全固態(tài)X波段8W的GaAs MMIC ，若升級(jí)采用X波段16W的GaN MMIC，將實(shí)現(xiàn)超高精度、超遠(yuǎn)距離的精密探測(cè)。

第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀及趨勢(shì)

國(guó)內(nèi)外第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已進(jìn)入提速階段，即將爆發(fā)大規(guī)模應(yīng)用。國(guó)際上4英寸、6英寸SiC襯底材料已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化，SiC基肖特基二極管（SBD）、金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）等均已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，實(shí)驗(yàn)研發(fā)正朝著高耐壓的芯片推進(jìn)，使用SiC轉(zhuǎn)換器和逆變器的高鐵、基于SiC功率器件的能源互聯(lián)網(wǎng)作為示范應(yīng)用已得到突破。GaN材料方面，美國(guó)、日本等多家公司已可以出售2-3英寸GaN襯底、6英寸的GaN外延材料，GaN電力電子器件、GaN微波射頻器件逐步走向成熟，在光伏逆變器、移動(dòng)基站、衛(wèi)星通信上實(shí)現(xiàn)了重大突破；光電器件是GaN材料最成熟的應(yīng)用領(lǐng)域，GaN基LED、激光器、探測(cè)器相繼走向民用并牢牢占據(jù)了市場(chǎng)。

當(dāng)前，第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)國(guó)際格局已基本形成，并隨著產(chǎn)業(yè)進(jìn)程加速，逐步深入滲透市場(chǎng)。電力電子領(lǐng)域目前呈現(xiàn)美國(guó)、歐洲、日本三足鼎立的態(tài)勢(shì)。預(yù)計(jì)至2024年，第三代半導(dǎo)體功率電子的滲透率將達(dá)到13%。

2017年，我國(guó)半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)整體產(chǎn)值超過(guò)6000億元，而電力電子和微波射頻產(chǎn)業(yè)還處于起步階段。與國(guó)際領(lǐng)先水平相比，我國(guó)在第三代半導(dǎo)體襯底、外延材料、器件的整體技術(shù)水平落后3年左右。在第三代半導(dǎo)體光電子領(lǐng)域，我國(guó)成功實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體照明的產(chǎn)業(yè)化，接近國(guó)際先進(jìn)水平；在微電子方面，我國(guó)只在光伏逆變器、軍工領(lǐng)域（雷達(dá)）等領(lǐng)域有小規(guī)模應(yīng)用。為了加快我國(guó)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展，政府發(fā)布了諸多重大規(guī)劃綱要，通過(guò)重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)引領(lǐng)研發(fā)和投資熱潮，目前國(guó)家電網(wǎng)、中車(chē)、華為、十三所等大用戶(hù)單位和科研院所都開(kāi)始積極部署，預(yù)計(jì)在2018年，我國(guó)的第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度將顯著提高。

第三代半導(dǎo)體材料及應(yīng)用已進(jìn)入爆發(fā)式增長(zhǎng)期，將深刻改變?nèi)虬雽?dǎo)體產(chǎn)業(yè)格局，美、日、歐、韓等國(guó)高度重視，紛紛部署國(guó)家計(jì)劃搶占戰(zhàn)略制高點(diǎn)，通過(guò)國(guó)家級(jí)創(chuàng)新中心、協(xié)同創(chuàng)新中心、聯(lián)合研發(fā)等形式，將企業(yè)、高校、研究機(jī)構(gòu)及相關(guān)政府部門(mén)等聯(lián)合在一起，針對(duì)應(yīng)用需求，引導(dǎo)資源進(jìn)入產(chǎn)品級(jí)的開(kāi)發(fā)和市場(chǎng)終端應(yīng)用，進(jìn)而引領(lǐng)、加速并搶占全球第三代半導(dǎo)體市場(chǎng)。我國(guó)政府也高度關(guān)注，國(guó)務(wù)院和地方政府先后啟動(dòng)了“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和相關(guān)科技計(jì)劃專(zhuān)項(xiàng)，將第三代半導(dǎo)體作為新材料研發(fā)及應(yīng)用重大工程的重要部分，預(yù)計(jì)至2020年完成產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)建設(shè)，核心裝備、核心工藝、基礎(chǔ)器件相繼開(kāi)發(fā)；2021-2025年光電子、電力電子和微波射頻三大市場(chǎng)初具規(guī)模，滿(mǎn)足市場(chǎng)需求的國(guó)產(chǎn)器件、國(guó)產(chǎn)裝備全面實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化；至2030年，第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)全面高速發(fā)展，具有中國(guó)特色的裝備和技術(shù)占領(lǐng)國(guó)際市場(chǎng)，中國(guó)成為第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)強(qiáng)國(guó)。

我國(guó)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略

當(dāng)前，各國(guó)都在積極部署搶占第三代半導(dǎo)體發(fā)展的制高點(diǎn)，我國(guó)也處于產(chǎn)業(yè)化準(zhǔn)備的關(guān)鍵時(shí)期，相比而言，國(guó)內(nèi)的大市場(chǎng)需求、高產(chǎn)能需要和快技術(shù)發(fā)展為我國(guó)的第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)建立了得天獨(dú)厚的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，在這個(gè)國(guó)際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)和裝備巨頭還未形成專(zhuān)利、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)模的壟斷的窗口期，我們完全有能力、有條件，通過(guò)具有中國(guó)特色的“政產(chǎn)學(xué)研用”協(xié)同創(chuàng)新模式，推動(dòng)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

然而，我們不能忽視當(dāng)前面臨的巨大挑戰(zhàn)，包括缺乏一體化實(shí)施的牽頭主體、穩(wěn)定持續(xù)的團(tuán)隊(duì)建設(shè)、核心材料、器件原始創(chuàng)新能力薄弱、產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新體系和生態(tài)環(huán)境不完善等。針對(duì)上述問(wèn)題，我國(guó)的第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)必將采取以下發(fā)展戰(zhàn)略：首先要發(fā)揮國(guó)家特色實(shí)現(xiàn)全鏈條的設(shè)計(jì)和一體化實(shí)施；其次充分發(fā)揮企業(yè)在決策、投入和成果轉(zhuǎn)化方面主體作用，形成需求牽引；同時(shí)采用上游材料器件突破、中游系統(tǒng)領(lǐng)先、下游應(yīng)用主導(dǎo)來(lái)推動(dòng)材料和器件創(chuàng)新；還要將戰(zhàn)略高度建立在全球視野上，全面深度整合國(guó)際資源；特別是要依托第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟形成利益共同體，構(gòu)建研發(fā)、產(chǎn)業(yè)和資本協(xié)同創(chuàng)新的發(fā)展模式。

半導(dǎo)體照明是第三代半導(dǎo)體發(fā)展第一個(gè)成功的突破口，2003年國(guó)家半導(dǎo)體照明工程啟動(dòng)以來(lái)，中國(guó)的半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展，從過(guò)去的追趕、并跑到現(xiàn)在進(jìn)入了領(lǐng)跑階段，半導(dǎo)體照明創(chuàng)新應(yīng)用國(guó)際領(lǐng)先，中國(guó)也邁入了制造大國(guó)行列。半導(dǎo)體照明的發(fā)展，探索了國(guó)家科技項(xiàng)目產(chǎn)業(yè)化道路，支撐了部委間政策貫通并形成合力，建立了行業(yè)科技與金融服務(wù)支撐體系，推動(dòng)了深度融合的區(qū)域與國(guó)際合作，為第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)體系奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)、并提供了很好的借鑒經(jīng)驗(yàn)，使第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)向著構(gòu)建健康的產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系，提升價(jià)值鏈、對(duì)接資本鏈、完善國(guó)際化資源共享平臺(tái)的服務(wù)鏈方向持續(xù)推進(jìn)。

第三代半導(dǎo)體是支撐國(guó)家重大戰(zhàn)略需求，實(shí)現(xiàn)引領(lǐng)發(fā)展、重塑全球半導(dǎo)體戰(zhàn)略格局的重大選擇，需要?jiǎng)?chuàng)新來(lái)引領(lǐng)、改革來(lái)推動(dòng)，形成產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新體系和可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)環(huán)境，并從戰(zhàn)略高度全面、深入整合和利用國(guó)際資源，從利益共同體到命運(yùn)共同體，實(shí)現(xiàn)共贏。