楊 斌
(科學(xué)技術(shù)部高技術(shù)研究發(fā)展中心,北京 100044)
隨著互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)興起,以及以5G 為代表的新一代技術(shù)實(shí)用化的加速推進(jìn),先進(jìn)電子材料產(chǎn)業(yè)已形成支撐經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性和先導(dǎo)性的產(chǎn)業(yè)。近年來,隨著中國的快速崛起,中美貿(mào)易關(guān)系惡化,逆全球化趨勢漸顯。美國及西方國家對我國關(guān)鍵核心技術(shù)的斷供清單越來越多,對我國的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的生存和發(fā)展形成巨大的威脅。高性能電子材料的斷供,會對許多電子信息產(chǎn)品的生產(chǎn)產(chǎn)生“卡脖子”威脅,使其呈現(xiàn)出高度的不確定性。
關(guān)于“卡脖子”問題,習(xí)近平總書記高度關(guān)注。早在2013 年9 月舉行的十八屆中央政治局第九次集體學(xué)習(xí)時,習(xí)近平就指出:“要采取‘非對稱’戰(zhàn)略,更好發(fā)揮自己的優(yōu)勢,在關(guān)鍵領(lǐng)域、卡脖子的地方下大功夫。” 在當(dāng)前復(fù)雜嚴(yán)峻的國內(nèi)外形勢下,高端制造業(yè)面臨的各類衍生風(fēng)險不容忽視,這更要求我們嚴(yán)密防范與化解各種風(fēng)險挑戰(zhàn),在“卡脖子”技術(shù)領(lǐng)域取得更多突破,把產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主動權(quán)牢牢掌握在自己手里。
國家“十三五”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃—戰(zhàn)略性先進(jìn)電子材料專項(xiàng)通過部署第三代半導(dǎo)體材料與半導(dǎo)體照明、新型顯示為核心,大功率激光材料與器件,以及高端光電子與微電子材料等重點(diǎn)領(lǐng)域的全產(chǎn)業(yè)鏈設(shè)計(jì)、一體化組織實(shí)施的創(chuàng)新研發(fā),突破戰(zhàn)略性先進(jìn)電子材料關(guān)鍵技術(shù)瓶頸,滿足我國在新一代信息技術(shù)、智能制造等領(lǐng)域?qū)ο冗M(jìn)電子材料與器件的迫切需求,搶占未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展制高點(diǎn)、支撐國民經(jīng)濟(jì)創(chuàng)新驅(qū)動可持續(xù)發(fā)展的策略。對我國信息安全、信息產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展和國防安全提供保障[1-2]。
專項(xiàng)的實(shí)施帶動了戰(zhàn)略性先進(jìn)電子材料領(lǐng)域科技創(chuàng)新整體水平的提升,縮小了與國際先進(jìn)水平的差距,部分關(guān)鍵技術(shù)和示范應(yīng)用達(dá)到國際先進(jìn)水平,培養(yǎng)和凝聚了一批高技術(shù)創(chuàng)新人才與團(tuán)隊(duì),帶動了科研基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。專項(xiàng)產(chǎn)出的系列標(biāo)志性成果,解決了部分“卡脖子”技術(shù)難題,有效的產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益,部分成果為國防裝備建設(shè)提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。但是,在高新技術(shù)迅猛發(fā)展的局勢下,以國內(nèi)大循環(huán)為主體、國內(nèi)國際雙循環(huán)相互促進(jìn)的新發(fā)展格局中,也必須清醒地認(rèn)識到先進(jìn)電子材料領(lǐng)域依舊存在被以美國為首的西方發(fā)達(dá)國家“卡脖子”的嚴(yán)峻情況,眾多產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵核心零部件和元器件仍依賴進(jìn)口,制約了自主化進(jìn)程[3]。因此,分析研判先進(jìn)電子材料領(lǐng)域“卡脖子”技術(shù)的方法、并研究破解對策,對于支撐新一代信息技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展、應(yīng)對我國制造業(yè)面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)、滿足國防建設(shè)的迫切需求具有重要意義。
本文嘗試在對“卡脖子”技術(shù)的內(nèi)涵與識別方法進(jìn)行分析歸納的基礎(chǔ)上,以“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃—戰(zhàn)略性先進(jìn)電子材料專項(xiàng)實(shí)施方案與績效評價為對象[4],研判并分析第三代半導(dǎo)體材料與半導(dǎo)體照明、新型顯示、大功率激光材料與器件、高端光電子與微電子材料等四個方向的“卡脖子”技術(shù),并從國家政策、科技計(jì)劃部署等方面初步探討“十四五”時期破解先進(jìn)電子材料領(lǐng)域“卡脖子”技術(shù)的對策。
“卡脖子”的原意是指用雙手掐住別人的脖子,多比喻抓住要害,致對方于死地。一是比喻在關(guān)鍵時刻發(fā)生的致命性的事情。最早見諸《人民日報(bào)》1974 年1 月3 日報(bào)道:“一九七三年七月以后,三十二天‘卡脖子’大旱,有些新造土地上的莊稼枯黃了”。二是指在工作進(jìn)程中,因某一部位受限制或出問題而影響整體工作的情況。例如,《人民日報(bào)》1974 年12 月5 日的報(bào)道中:“唐家莊礦由于新井提升能力不足,遇到‘卡脖子’的困難,井下煤不能及時運(yùn)上來”。雖然對于“卡脖子”技術(shù)的界定并沒有明確統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),但從上述事件可以概括出“卡脖子”技術(shù)的主要屬性。一是“致命性”,如2018 年美國對中興通訊股份有限公司的產(chǎn)品生產(chǎn)所需的芯片禁運(yùn),導(dǎo)致了該公司的窒息性停止經(jīng)營。二是“脅迫性”,如2019 年日本對韓國用于顯示屏制造的三種精細(xì)化學(xué)品的停止供應(yīng),致使韓國整個顯示產(chǎn)業(yè)陷于恐慌之中,雖然不會使產(chǎn)業(yè)立即停頓,但在可預(yù)期的未來沒有解決方案。目前我國的高純電子化學(xué)品、集成電路和高端裝備產(chǎn)業(yè)由于受到西方國家的封鎖禁運(yùn)也是處于相同的處境。三是“商品性”,即一定是獲得了市場的檢驗(yàn)和認(rèn)可,達(dá)到行業(yè)領(lǐng)先水平,能夠進(jìn)行交易的技術(shù)、原材料、零部件或系統(tǒng)軟件等,這是“卡脖子”技術(shù)的本質(zhì)特征。因此,“卡脖子”技術(shù)往往是產(chǎn)品鏈上游的核心技術(shù)和關(guān)鍵零部件,是下游終端產(chǎn)品制造不可或缺的原材料或零部件。例如,沒有高端曝光機(jī)、光刻膠和核心芯片,高性能智能手機(jī)就無法生產(chǎn)。不提供或授權(quán)操作系統(tǒng)的使用權(quán),計(jì)算機(jī)和手機(jī)等就不能正常使用。四是“壟斷性”,即可通過技術(shù)上的不可替代或難以復(fù)制、知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)、或政治因素等對產(chǎn)品進(jìn)行市場壟斷?!翱ú弊印奔夹g(shù)、材料、產(chǎn)品、工藝和裝備往往構(gòu)成全球唯一供應(yīng)鏈,通常被個別企業(yè)和國家壟斷。壟斷了這種技術(shù)的國家政府為了達(dá)到政治、經(jīng)濟(jì)等目的,便可以利用其制約一個國家的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)或企業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展[5]。如果一個國家的企業(yè)或者產(chǎn)業(yè)對國外的技術(shù)依存度過高,關(guān)鍵核心技術(shù)受制于人,就很容易形成“卡脖子”的局面。例如美國聯(lián)合西方國家對華為的5G 芯片的斷供、對通訊產(chǎn)品的禁售就是技術(shù)和政治兩個方面的因素對企業(yè)進(jìn)行的“卡脖子”壟斷。五是“原創(chuàng)性”,“卡脖子”技術(shù)具備獨(dú)特的原始創(chuàng)新技術(shù)特征,其技術(shù)含量高且復(fù)雜、下游企業(yè)掌握難度很大或不具備掌控能力。是上游企業(yè)基于對產(chǎn)業(yè)、市場和用戶的深刻理解洞察,長期孕育形成的,有獨(dú)特的市場價值,能夠解決重大的市場問題。需要穩(wěn)定的高水平技術(shù)團(tuán)隊(duì),遵循科學(xué)的流程、長周期投入開發(fā)。六是“戰(zhàn)略性”,“卡脖子”技術(shù)不只是關(guān)鍵原材料、關(guān)鍵工藝、關(guān)鍵裝備和關(guān)鍵檢測方法等生產(chǎn)要素,更是決定國家科技發(fā)展戰(zhàn)略與創(chuàng)新能力的關(guān)鍵技術(shù)[6]。首先,“卡脖子”技術(shù)優(yōu)先服從于國家戰(zhàn)略競爭領(lǐng)域的需求,是國家產(chǎn)業(yè)安全運(yùn)行和可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵核心,價值高且影響巨大,存在著“一卡就死”的技術(shù)特點(diǎn)[7]。例如核武器技術(shù)、航天技術(shù)、遠(yuǎn)程彈道導(dǎo)彈技術(shù)、核潛艇技術(shù)、航空母艦技術(shù)、登月技術(shù)中涉及的先進(jìn)電子材料具有很強(qiáng)的國家戰(zhàn)略屬性,這些能力決定了國家能否參與國際經(jīng)濟(jì)與科技發(fā)展的創(chuàng)新鏈、產(chǎn)業(yè)鏈與供應(yīng)鏈的競爭,影響國家嵌入全球價值鏈,以及國家在國際競爭中的科技話語權(quán)、意識形態(tài)、以及國際經(jīng)濟(jì)地位等[8]。
此外,通常還有前瞻性、變革性、顛覆性以及“殺手锏”等不同類型的技術(shù),但它們都與“卡脖子”技術(shù)具有不同的內(nèi)涵。前瞻性技術(shù)是引領(lǐng)世界科技革命和各領(lǐng)域快速發(fā)展的技術(shù),決定著世界科學(xué)技術(shù)的制高點(diǎn),決定著國家快速發(fā)展和強(qiáng)盛的戰(zhàn)略部署,決定著世界發(fā)展的走向和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈。顛覆性技術(shù)和變革性技術(shù)是指對已有傳統(tǒng)或主流的技術(shù)、工藝流程等進(jìn)行一種另辟蹊徑的革新,對原有技術(shù)產(chǎn)生毀滅性影響,或產(chǎn)生革命性、突變性進(jìn)步的技術(shù),創(chuàng)新性強(qiáng),但成熟度不高[9]。這三類技術(shù)不能形成重大的市場需求、產(chǎn)生重大經(jīng)濟(jì)效益和使用價值,所以不是“卡脖子”技術(shù)。但對他們的研究、開發(fā)和運(yùn)用是突破“卡脖子”技術(shù)的有效手段,可以在技術(shù)成熟或一定的時期內(nèi)成為“卡脖子”技術(shù)?!皻⑹诛怠奔夹g(shù)與“卡脖子”技術(shù)具有相似的技術(shù)特性和戰(zhàn)略地位,能夠形成具有戰(zhàn)略威懾性的技術(shù)儲備[10-11]。上述各技術(shù)的比較如表1 所示。
表1 各類技術(shù)的屬性比較
掌握“卡脖子”技術(shù)是確保產(chǎn)業(yè)技術(shù)安全、維護(hù)產(chǎn)業(yè)鏈正常運(yùn)行的必然要求。能否有效解決“卡脖子”問題關(guān)系到能否保障國家政治穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)安全,能否進(jìn)一步提升國家技術(shù)水平和科技競爭實(shí)力,能否在國際競爭中占據(jù)有利地位。準(zhǔn)確識別“卡脖子”技術(shù)可以為國家科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)等開展技術(shù)攻關(guān)或進(jìn)行技術(shù)服務(wù)明確研究對象,更能夠消除發(fā)達(dá)國家技術(shù)壟斷帶來的影響,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)技術(shù)更新升級,推動社會經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的前提條件[12]?!翱ú弊印奔夹g(shù)的研判可遵循如下原則:
(1)獨(dú)特性原則。即“卡脖子”技術(shù)是不可變通、不可繞過、不可復(fù)制的,因此其在全球創(chuàng)新鏈、產(chǎn)業(yè)鏈、供應(yīng)鏈和價值鏈的各環(huán)節(jié)占據(jù)關(guān)鍵核心地位,掌握“卡脖子”技術(shù)可使國家擁有科技話語權(quán)并在國際競爭中占有絕對優(yōu)勢。
(2)具體化原則。即“卡脖子”技術(shù)應(yīng)是一個具有明確的功能、性能、使用范圍、形式和載體,并有別于尋常技術(shù)的方法及方法原理,并非只是一個籠統(tǒng)的概念。
(3)可評估原則。一項(xiàng)技術(shù)如果可以成為國家的“卡脖子”技術(shù),那就說明國家對于這項(xiàng)技術(shù)的掌握程度與別國相比存在很大差距?;诰唧w化原則,這種差距可以通過適當(dāng)方法進(jìn)行評估判斷。
(4)可突破原則。“卡脖子”技術(shù)并不是可望而不可及的,必定可以制定追趕策略、破解方法和突破措施,然后通過一個可能較長的時間過程來攻克它。
基于上述原則,可以歸納出“卡脖子”技術(shù)的判斷方法主要由以下5個步驟組成[13-14],如圖1所示。
圖1 “卡脖子”技術(shù)研判方法
(1)判斷產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)和政治戰(zhàn)略是否安全。從實(shí)際情況來看,我國雖然一直強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)研究的重要性,但是具有國際視野和國家戰(zhàn)略思考的科學(xué)家和工程技術(shù)人員不多,能夠潛心原始創(chuàng)新研究的定力不夠,產(chǎn)出的原始創(chuàng)新技術(shù)不多,導(dǎo)致發(fā)展成為產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵核心技術(shù)困難,所以新技術(shù)產(chǎn)業(yè)對外依存度過高,這些技術(shù)最有可能被卡住脖子。
(2)判斷產(chǎn)品的關(guān)鍵核心技術(shù)、原材料和零部件是否有替代的可能性。從產(chǎn)業(yè)層面看,關(guān)鍵核心技術(shù)通常表現(xiàn)為產(chǎn)業(yè)共性技術(shù)[15],需要連接市場需求,是產(chǎn)業(yè)鏈中必不可少的一環(huán),它是突破整個產(chǎn)業(yè)發(fā)展中技術(shù)瓶頸的關(guān)鍵。只有符合關(guān)鍵核心技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)才具有“卡脖子”的可能,如果在全球產(chǎn)業(yè)鏈中可以尋找到關(guān)鍵核心技術(shù)的可替代路線,或者可以通過國際貿(mào)易多渠道獲得該技術(shù),那么供給方就不可能形成真正的壟斷,談不上有“卡脖子”問題。
(3)判斷制造產(chǎn)品的技術(shù)、原材料和零部件是否存在供方的專利壟斷。如果產(chǎn)品技術(shù)沒有專利技術(shù)保護(hù)、或者有措施突破其壟斷保護(hù),其“卡脖子”的程度就不會很大;但若是相關(guān)技術(shù)、零部件和材料等是全球范圍內(nèi)收到專利保護(hù)的,且我們必須遵守知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)規(guī)則,意味著存在技術(shù)壟斷的可能,就會對企業(yè)發(fā)展和國家經(jīng)濟(jì)安全造成較大的威脅。
(4)判斷產(chǎn)品核心關(guān)鍵技術(shù)是否形成壟斷。核心技術(shù)往往具有唯一性、壟斷性,攻克難度大小的判斷標(biāo)準(zhǔn)是我國與世界前沿技術(shù)的差距[16]。如果技術(shù)攻克難度小,當(dāng)遭受技術(shù)斷供威脅時,我國也能集中力量在較短時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)技術(shù)自給,不會成為“卡脖子”技術(shù);如果技術(shù)攻克難度大,一旦技術(shù)供給方實(shí)行壟斷,而我國難以在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破,那么必將面臨“卡脖子”問題。
(5)判斷產(chǎn)品技術(shù)在全球供應(yīng)鏈中是否被壟斷。如果產(chǎn)品技術(shù)、原材料和零部件在全球供應(yīng)鏈中并不能完全被供方壟斷,即使存在技術(shù)壟斷程度高與攻克難度大的情況,也不會對國家安全與社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生重大影響;如果完全被壟斷,就有產(chǎn)生“卡脖子”的可能,將有可能對國家安全與社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成致命沖擊[17]。
基于上述模型,對滿足上述原則的“卡脖子”技術(shù)可以進(jìn)一步構(gòu)建其評估指標(biāo)體系和相關(guān)權(quán)重,見表2。
表2 “卡脖子”技術(shù)的評估指標(biāo)體系及權(quán)重
可以將我國先進(jìn)電子材料領(lǐng)域?qū)ξ鞣絿业摹翱ú弊印奔夹g(shù)分為三種不同的依賴程度。一是必須使用國外技術(shù),我們完全不掌握且沒有可替代的技術(shù)。一旦被“卡脖子”,依賴這些關(guān)鍵技術(shù)、原材料或零部件生產(chǎn)的企業(yè)會直接帶來產(chǎn)業(yè)鏈斷裂的后果。二是西方發(fā)達(dá)國家掌握核心技術(shù)、具有很大的產(chǎn)品性能和占領(lǐng)市場的優(yōu)勢,能夠在關(guān)鍵時間點(diǎn)上對我國的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)安全造成嚴(yán)重影響。而我們具有較好的研發(fā)基礎(chǔ),但沒有形成生產(chǎn)力,通過組織集中攻關(guān)能夠制造出替代品,或者擁有在一定程度上降低終端產(chǎn)品的性能的替代品,就可以在較短時間內(nèi)解決產(chǎn)業(yè)安全問題。三是我們擁有替代技術(shù),只是由于知識產(chǎn)權(quán)束縛或市場原因沒有進(jìn)行生產(chǎn)性驗(yàn)證,這類技術(shù)只要完成產(chǎn)品生產(chǎn)工藝中的匹配性驗(yàn)證,就能迅速成為替代品,這種情況對我國產(chǎn)業(yè)的威脅是有限的。
針對上述三種“卡脖子”情況,厘清哪些在我國是空白、沒有替代技術(shù);哪些是為我們有一定基礎(chǔ)、經(jīng)過完善技術(shù)就可以在一定程度上轉(zhuǎn)化為應(yīng)用優(yōu)勢;哪些是我們有技術(shù)儲備,能夠很快替代國外產(chǎn)品,制定出相應(yīng)的基礎(chǔ)研究、應(yīng)用技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的科技政策和策略。電子材料是現(xiàn)代電子工業(yè)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ),由于產(chǎn)品種類多、技術(shù)門檻高、更新?lián)Q代快、專業(yè)性強(qiáng)等特點(diǎn),電子材料的質(zhì)量和水平直接決定了元器件和整機(jī)產(chǎn)品的性能。
“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃 — 戰(zhàn)略性先進(jìn)電子材料專項(xiàng)設(shè)置了4 個研究方向,包括第三代半導(dǎo)體材料與半導(dǎo)體照明、新型顯示、功率激光材料與器件,以及高端光電子與微電子材料。研究內(nèi)容與國家重大需求、亟需解決的重大科學(xué)問題、核心關(guān)鍵技術(shù)等密切相關(guān)。其中,第三代半導(dǎo)體材料是電力電子器件、射頻功率器件、半導(dǎo)體照明等技術(shù)的“核芯”,屬于戰(zhàn)略必爭的高新技術(shù);新型顯示產(chǎn)業(yè)是信息顯示和我國全面推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”國家戰(zhàn)略的基礎(chǔ)硬件設(shè)施保證;激光材料與器件具有重要的戰(zhàn)略意義并可支撐高端先進(jìn)制造;新一代光電子材料是構(gòu)建下一代互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵材料。
按照“卡脖子”技術(shù)基本屬性、技術(shù)方向與研發(fā)生產(chǎn)要素三個維度,對先進(jìn)電子材料“卡脖子”技術(shù)進(jìn)行研判,梳理出四個方向的“卡脖子”技術(shù)典型案例,如圖2 所示。
圖2 先進(jìn)電子材料領(lǐng)域“卡脖子”技術(shù)典型案例
第三代半導(dǎo)體材料是電力電子器件、射頻功率器件、半導(dǎo)體照明等技術(shù)的“核芯”,屬于戰(zhàn)略必爭的高新技術(shù),其優(yōu)越的性能和在國民經(jīng)濟(jì)、國防安全、社會民生等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,成為國際社會科技競爭的焦點(diǎn)之一。當(dāng)前,我國已建和在建全球最快運(yùn)營速度、最長運(yùn)營里程、最佳效益的高速軌道交通。然而,決定著上述高端裝備的關(guān)鍵性能的核心芯片及其材料都被國外公司壟斷,其中涉及功率處理單元的功率芯片大部分都依靠進(jìn)口。一旦國外對我們進(jìn)行技術(shù)封鎖和芯片、材料禁運(yùn),我國高速軌道交通的發(fā)展將受到嚴(yán)重制約。
高導(dǎo)電型碳化硅單晶襯底材料和中低摻雜、厚外延碳化硅外延材料是高速列車電機(jī)驅(qū)動裝置的關(guān)鍵核心材料。國際上碳化硅(SiC)外延片目前已實(shí)現(xiàn)了6 英寸的大批量商業(yè)化產(chǎn)品,8 英寸產(chǎn)品也已出現(xiàn)[18]。目前已經(jīng)開發(fā)出低缺陷密度6 英寸SiC N 型襯底,微管密度(MPD)低于1 個/cm2。SiC 外延片方面,實(shí)際用于器件生產(chǎn)的N 型外延片的最大厚度約50μm(研發(fā)厚度150μm 以上),而P 型外延片仍然處于研發(fā)階段,研發(fā)的最大厚度達(dá)到150μm,少數(shù)載流子壽命提高至6.5μs[19]。在國內(nèi),SiC 襯底仍然以4 英寸為主,已實(shí)現(xiàn)微管缺陷密度低于1 個/cm2,6 英寸襯底已開始小批量供貨。國內(nèi)已開始小批量生產(chǎn)6 英寸SiC 外延片,表面缺陷密度和位錯缺陷密度仍然較高,有待進(jìn)一步降低[20]。實(shí)際用于器件生產(chǎn)的N 型外延片的最大厚度約30μm(研發(fā)厚度約100μm),而P 型外延片仍然處于研發(fā)階段,研發(fā)的最大厚度僅30μm,且少數(shù)載流子壽命僅1μs。
5G 通信基站及終端對6 英寸高純半絕緣SiC 襯底材料有迫切需求,國外嚴(yán)格禁運(yùn)。美國CREE 公司為全球最先進(jìn)的SiC 襯底生產(chǎn)商,該公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)6 英寸高純半絕緣SiC 襯底商業(yè)化批量生產(chǎn),另外美國II-VI 公司也實(shí)現(xiàn)6 英寸摻雜半絕緣SiC 襯底的批量生產(chǎn)[21]。SiC 襯底材料是未來新能源和5G通信領(lǐng)域中GaN 器件的基石,被卡后影響SiC 襯底GaN HEMT 材料的生長和發(fā)展,SiC 襯底GaN HEMT材料主要用于GaN 射頻器件的制造,應(yīng)用在5G 宏基站、毫米波小基站、相控陣?yán)走_(dá)及微波通信領(lǐng)域,被卡后會延緩5G 基站的建設(shè)速度和行業(yè)的發(fā)展速度[22]。國內(nèi)起步較晚,跟國外相比差距較大,近幾年在各方的努力下,取得了較大的進(jìn)步。山東天岳、山西爍科、河北同光、天科合達(dá)已經(jīng)開展6 英寸高純半絕緣SiC 襯底材料的研究工作,實(shí)現(xiàn)少量樣品加工,距離大規(guī)模生產(chǎn)還有一定的差距[23]。
新型顯示產(chǎn)業(yè)是我國全面推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”國家戰(zhàn)略的基礎(chǔ)硬件設(shè)施保證,我國尚未完全掌握超高清成像芯片材料器件前端技術(shù)及其相關(guān)的產(chǎn)品,如發(fā)光材料、控制芯片、工藝裝備等方面。如果掌握這些技術(shù)和產(chǎn)品的國家及相應(yīng)的廠商不準(zhǔn)或不愿意提供或銷售給中國,將嚴(yán)重影響我國顯示全產(chǎn)業(yè)鏈安全。以蒸鍍有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)紅綠藍(lán)發(fā)光材料為例,全球蒸鍍OLED 材料的專利基本被韓、美、德、日等國家企業(yè)所掌控,知名企業(yè)包括UDC、陶氏化學(xué)、出光興產(chǎn)、Merck、SDI、LG 化學(xué)、SFC、德山等,蒸鍍紅、藍(lán)、綠三種顏色的蒸鍍OLED 發(fā)光材料均已量產(chǎn),并實(shí)現(xiàn)全色顯示[24]。OLED 載流子注入、傳輸材料生產(chǎn)主要還集中在韓國、日本、德國和美國廠商手中,主要為德山金屬、LG 化學(xué)、三星SDI、日本東麗、保土谷化學(xué)、默克、陶氏化學(xué)、JNC 等,這些廠商經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)形成了較完整的產(chǎn)業(yè)鏈,基本上都有對口合作的、穩(wěn)定的 OLED 前段材料供應(yīng)商。
我國OLED 材料企業(yè)以仿制或者技術(shù)含量較低的中間體和單粗體產(chǎn)品為主,供應(yīng)給韓國、日本、美國、德國廠商,蒸鍍OLED 紅綠藍(lán)發(fā)光材料和載流子注入、傳輸材料嚴(yán)重依賴進(jìn)口[25]。一旦國外限制出口,會引發(fā)國內(nèi)新型顯示產(chǎn)業(yè)危機(jī),嚴(yán)重威脅新型顯示產(chǎn)業(yè)的安全發(fā)展。鼎材科技、三月光電、奧來德、華睿、阿格蕾雅、瑞聯(lián)、惠成、西安瑞聯(lián)等已開展相關(guān)材料自主研發(fā),已經(jīng)部分突破蒸鍍OLED 材料國外專利的封鎖[26]。
激光材料與器件具有重要的戰(zhàn)略意義并可支撐高端先進(jìn)制造。應(yīng)用于壓縮脈寬器件(半導(dǎo)體可飽和吸收鏡)和激光器泵浦源半導(dǎo)體激光材料仍是“卡脖子”技術(shù)。國外深入研究了InGaAs 可飽和吸收材料載流子動力學(xué),開發(fā)了低溫生長,摻雜,質(zhì)子轟擊,離子注入,缺陷誘導(dǎo)等一系列有效減小InGaAs材料載流子壽命的技術(shù),獲得載流子壽命<500fs 的InGaAs 材料,有效實(shí)現(xiàn)飛秒級激光脈沖輸出。優(yōu)勢單位有德國BATOP 公司、瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院、芬蘭坦佩雷理工大學(xué)、新加坡南洋理工大學(xué)。中科院半導(dǎo)體所成功研制了InGaAs 可飽和吸收材料,獲得脈沖寬度<10ps 的超快激光脈沖。因國內(nèi)起步晚,研究單位少,InGaAs 可飽和吸收材料性能與國外有較大差距,以跟蹤仿制為主,因此國內(nèi)超快激光器制造商普遍采用德國BATOP公司的產(chǎn)品作為鎖模器件。如果德國BATOP 公司停止為我國供應(yīng)InGaAs 可飽和吸收材料的SESAM 器件,我國超快激光器制造商將無鎖模器件可用,很可能造成生產(chǎn)停滯[27-28]。
近年來,國外針對大功率808nm 垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)材料的研究持續(xù)展開。通過頂發(fā)射結(jié)構(gòu)、襯底去除和串聯(lián)封裝等工作改善了808nm VCSEL 材料的熱特性,實(shí)現(xiàn)了最大光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到50%和kW 級的峰值輸出功率,有效的提高了材料對固態(tài)激光器的泵浦效率。國內(nèi)對大功率808nm VCSEL 材料的研究起步較晚,目前只有中科院半導(dǎo)體所、中科院長春光機(jī)所等少數(shù)科研單位開展了相關(guān)研究,研究主要集中在有源區(qū)的理論設(shè)計(jì)和大口徑的單管VCSEL 和小型陣列研究方面,對于可實(shí)用的大尺寸VCSEL 二維陣列研究亟待推進(jìn)。由于大功率808nm VCSEL 材料是作為緊湊化固態(tài)激光器泵浦源的關(guān)鍵材料。缺乏相關(guān)的研制能力會導(dǎo)致我國在武器裝備,電子對抗,空間及深海激光通信等領(lǐng)域缺少重要的研發(fā)材料[29]。
高端光電子與微電子材料是發(fā)展下一代互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)與人工智能的關(guān)鍵材料。高純度稀土材料等器件很多還依賴進(jìn)口。專項(xiàng)在CMP 拋光材料、光刻膠、電子封裝材料、高純超凈試劑、特種氣體、印刷線路板材料及配套化學(xué)品、液晶及配套材料等高端電子化學(xué)品方面仍投入不足,高端電子化學(xué)品被譽(yù)為精細(xì)化工皇冠上的明珠,但生產(chǎn)工藝要求高,材料純度最高為G5 級,我國產(chǎn)品質(zhì)量處于G2、G3 級,市場基本被國外壟斷,是影響我國集成電路和其它半導(dǎo)體器件等支柱產(chǎn)業(yè)的重要材料。
傳感器是人類獲取自然和生產(chǎn)領(lǐng)域中信息的主要途徑與手段,是當(dāng)前推動經(jīng)濟(jì)社會各領(lǐng)域從數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化向智能化加速躍升所必須的物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)器件。與歐美、日韓等傳感器設(shè)計(jì)與制造強(qiáng)國相比,我國對于硅基薄膜傳感器材料的研究投入較少,嚴(yán)重制約了低功耗、高可靠、高性能、易于集成的傳感器的發(fā)展,限制了移動智能終端的大數(shù)據(jù)獲取能力。隨著人工智能技術(shù)持續(xù)創(chuàng)新與社會經(jīng)濟(jì)的深度融合,人工智能產(chǎn)業(yè)已上升為國家戰(zhàn)略,智能傳感器正成為各個發(fā)達(dá)國家競相角逐的技術(shù)高點(diǎn)之一。我國在硅基成像芯片、壓力和溫度傳感器的敏感材料和制備工藝自主研發(fā)能力較強(qiáng),結(jié)合人工智能算法技術(shù)的突破,在人工視覺、聽覺和觸覺系統(tǒng)的性能已達(dá)到甚至超越了人類,但針對生物、化學(xué)分子檢測的硅基傳感器尚未取得規(guī)?;瘧?yīng)用,生化敏感材料基礎(chǔ)理論和晶圓級硅基兼容制造技術(shù)與國外相比起步較晚。由于生化傳感器芯片是事關(guān)國家安全和人民生命健康的戰(zhàn)略性基礎(chǔ)元器件和關(guān)鍵核心技術(shù),一旦國外封鎖禁運(yùn),將導(dǎo)致我國在人工智能對抗中處于不利局面[30-32]。
(1)建立具有活力的科技創(chuàng)新環(huán)境。當(dāng)前我國科技界尤其需要摒棄不良的實(shí)用主義、急功近利、追逐潮流、趨熱避冷的偽科學(xué)文化;通過發(fā)揚(yáng)腳踏實(shí)地、尊重科學(xué)、尊重人才等客觀規(guī)律,構(gòu)建良好健康的科技創(chuàng)新文化的大環(huán)境。
(2)始終把科技創(chuàng)新擺在國家戰(zhàn)略發(fā)展全局的核心位置。要堅(jiān)定不移和持之以恒地實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略。堅(jiān)持創(chuàng)新在我國現(xiàn)代化建設(shè)全局中的核心地位,把科技自立自強(qiáng)作為國家發(fā)展的戰(zhàn)略支撐。強(qiáng)力推進(jìn)以科技創(chuàng)新為核心的全面創(chuàng)新,使我國在科學(xué)、技術(shù)和工程等領(lǐng)域的開發(fā)能力快速進(jìn)步。
(3)突破“卡脖子”技術(shù)還需要系統(tǒng)思維。習(xí)近平總書記指出:“基礎(chǔ)研究是科學(xué)體系的源頭,是所有技術(shù)問題的總機(jī)關(guān)?!边@就要求我們真正把基礎(chǔ)研究水平看作國家科技實(shí)力的根基,作為關(guān)鍵核心技術(shù)突破的源頭。
(4)破解卡脖子技術(shù)要改變從“追趕”戰(zhàn)略向“領(lǐng)先”戰(zhàn)略的轉(zhuǎn)變。要下更大力氣,要更加重視凝練解決生產(chǎn)實(shí)踐中的科學(xué)問題,要引導(dǎo)更多的科學(xué)家開展目標(biāo)導(dǎo)向的應(yīng)用基礎(chǔ)研究,來突破國家發(fā)展和安全的難題。
(5)培養(yǎng)具有創(chuàng)新殺手锏技術(shù)的科技人才。習(xí)近平總書記指出:“發(fā)展是第一要務(wù)、人才是第一資源、創(chuàng)新是第一動力?!比瞬攀钱?dāng)今時代最核心的競爭力,人才就是未來,要匯聚人才,用好人才,營造良好的技術(shù)人才成長成才環(huán)境,引導(dǎo)技術(shù)人員端正工作態(tài)度,樹立正確的價值觀、學(xué)術(shù)觀,培養(yǎng)造就一批具有國際水平的戰(zhàn)略科技人才、科技領(lǐng)軍人才和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)。要高度重視青年科技人才成長,建設(shè)高效精干的科研人才隊(duì)伍,高效、有力地發(fā)揮技術(shù)人才在國家科技創(chuàng)新體系中的重要作用,使他們成為鍛造“殺手锏”技術(shù)與突破“卡脖子”技術(shù)的關(guān)鍵力量[11,33]。
(1)發(fā)力“跟跑”,持續(xù)“并跑”,再創(chuàng)“領(lǐng)跑”。從根本上解決核心技術(shù)受制于人的狀況,是突破“卡脖子”技術(shù)的根本之策。對于“領(lǐng)跑”的領(lǐng)域,要進(jìn)一步擴(kuò)大領(lǐng)先優(yōu)勢;在“并跑”領(lǐng)域,要找到突破點(diǎn),加速形成領(lǐng)先優(yōu)勢;在“跟跑”領(lǐng)域,要創(chuàng)造新的比較優(yōu)勢,努力彎道超車。
(2)國家要在戰(zhàn)略需求層面明確“卡脖子”技術(shù)清單。通過厘清“卡脖子”技術(shù)的清單,明確清單技術(shù)的重要性、與國外的差距、研發(fā)的難度等采取不同的戰(zhàn)略。對于與國外差距不太大、在一定的時間內(nèi)有望實(shí)現(xiàn)“并跑”甚至“領(lǐng)跑”的技術(shù),主要采取“短平快”戰(zhàn)略,加大投入,集中資源攻克;對于研發(fā)難度很大、長時間難以攻克的技術(shù),主要采取“非對稱”戰(zhàn)略,找出新的技術(shù)路線;對于技術(shù)的重要性不太大且與技術(shù)供給方有技術(shù)和經(jīng)濟(jì)相互依賴關(guān)系的技術(shù),主要采取防斷供戰(zhàn)略。
(3)在主要行業(yè)和重點(diǎn)領(lǐng)域掌握關(guān)鍵核心技術(shù),占領(lǐng)科技的制高點(diǎn),培養(yǎng)具有工匠精神的隱形冠軍企業(yè)。專項(xiàng)在“十三五”的部署也還有需要加強(qiáng)的技術(shù)方向,一是對基礎(chǔ)工藝的研究。二是部分關(guān)鍵核心技術(shù)與裝備核心器件?!肮そ尘瘛钡暮诵膬?nèi)涵是精益求精,“隱形冠軍”企業(yè)的共同特點(diǎn)是擁有高素質(zhì)的技術(shù)人才和工程師,有良好的技術(shù)傳承,注重創(chuàng)新研發(fā),將“工匠精神”發(fā)揮到了極致。當(dāng)下,我國正處于制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵階段,亟需培育一批關(guān)鍵行業(yè)內(nèi)的“隱形冠軍”企業(yè),彌補(bǔ)我國在某些產(chǎn)業(yè)鏈的弱項(xiàng)環(huán)節(jié),邁向產(chǎn)業(yè)鏈高端環(huán)節(jié),提升中國制造業(yè)整體創(chuàng)新能力,防止再次出現(xiàn)技術(shù)行業(yè)“卡脖子”現(xiàn)象。
(4)加快加強(qiáng)反制性技術(shù)研發(fā)投入,以反制技術(shù)化解卡脖子技術(shù),把領(lǐng)先技術(shù)變成反技術(shù)。習(xí)近平總書記強(qiáng)調(diào):“核心技術(shù)、關(guān)鍵技術(shù),化緣是化不來的,要靠自己拼搏。”針對產(chǎn)業(yè)薄弱環(huán)節(jié),實(shí)施好關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)工程,在產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢領(lǐng)域精耕細(xì)作,搞出更多獨(dú)門絕技,發(fā)揮“新型舉國體制優(yōu)勢”這一我國的顯著優(yōu)勢,是拆解“卡脖子”,打好關(guān)鍵核心技術(shù)攻堅(jiān)戰(zhàn)的重中之重。加強(qiáng)國際交流合作,勤于和善于學(xué)習(xí)世界先進(jìn)技術(shù)、借鑒相關(guān)經(jīng)驗(yàn),結(jié)合自身創(chuàng)新創(chuàng)造,取得更多成果。
(5)針對不同技術(shù)領(lǐng)域卡脖子技術(shù),科技計(jì)劃部署要有不同的機(jī)制體制;研發(fā)全新“無人區(qū)技術(shù)”。通過優(yōu)化學(xué)科布局和研發(fā)布局,支持新興學(xué)科、冷門學(xué)科和薄弱學(xué)科的發(fā)展,特別是要推動學(xué)科交叉融合和跨學(xué)科研究。在前沿領(lǐng)域,要布局建設(shè)一批基礎(chǔ)學(xué)科研究中心,破解影響國家安全的卡脖子技術(shù),實(shí)施現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上的升級換代技術(shù)[34]。要制定實(shí)施戰(zhàn)略性科學(xué)計(jì)劃和科學(xué)工程,強(qiáng)化應(yīng)用導(dǎo)向的基礎(chǔ)研究,完善共性基礎(chǔ)技術(shù)供給體系。要加快組建國家實(shí)驗(yàn)室,重組國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室體系,打造體系化的戰(zhàn)略科技力量。
(1)高校和研究院所要鼓勵電子材料與多學(xué)科交叉融和。當(dāng)前新興學(xué)科不斷涌現(xiàn)和前沿領(lǐng)域不斷延伸導(dǎo)致了單學(xué)科內(nèi)部循環(huán)的科研組織方式已不再適合對重大問題的研究。組建國家級交叉學(xué)科群和科技攻關(guān)團(tuán)隊(duì),布局一批體量容量更大、綜合集成性更強(qiáng)的國家實(shí)驗(yàn)室,以學(xué)科交叉融合催動原創(chuàng)性、系統(tǒng)性、引領(lǐng)性研究取得突破。
(2)高校和研究院所要鼓勵電子材料學(xué)科與其他學(xué)科協(xié)同創(chuàng)新。開展跨學(xué)校、跨學(xué)科、跨領(lǐng)域、跨國界的協(xié)同創(chuàng)新,優(yōu)化研究資源配置,服務(wù)關(guān)鍵核心技術(shù)創(chuàng)新需求。在本科教學(xué)階段和研究生教學(xué)階段均要重視理論聯(lián)系實(shí)際,做好科研成果轉(zhuǎn)化,特別要找準(zhǔn)促進(jìn)高??萍汲晒D(zhuǎn)化的著力點(diǎn),完善科研成果、知識產(chǎn)權(quán)等歸屬及利益分配機(jī)制,調(diào)動各方共同參與攻關(guān)的積極性。改進(jìn)電子材料學(xué)科評價體系?;A(chǔ)研究領(lǐng)域以同行學(xué)術(shù)評價為主,引入國際同行評價;應(yīng)用研究和技術(shù)開發(fā)領(lǐng)域重在市場評價,由用戶、市場和專家等相關(guān)第三方評價。
(3)化解電子材料研究導(dǎo)向和國家需求之間的矛盾。采取“專事專議”“聯(lián)合破題”的形式,探索能夠差異化、個性化滿足不同創(chuàng)新主體訴求的動態(tài)協(xié)同激勵機(jī)制,推動形成聯(lián)合攻關(guān)的強(qiáng)大合力。
(4)改善企業(yè)創(chuàng)新原動力缺失的弊端。改變喜歡“購買”而不喜歡“制造”的局面,追求處于行業(yè)頂端的地位,用最好的技術(shù)打造最好的產(chǎn)品。要改變國有企業(yè)由于處于天然壟斷行業(yè)而導(dǎo)致的外部競爭性動力天然缺失,業(yè)績考核創(chuàng)新激勵機(jī)制缺失,創(chuàng)新的戰(zhàn)略眼光與可持續(xù)創(chuàng)新動力缺乏的局面;發(fā)揮民營企業(yè)在電子材料產(chǎn)業(yè)的顛覆性核心技術(shù)創(chuàng)新過程中的主導(dǎo)作用,基于市場導(dǎo)向型的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)企業(yè)家精神來驅(qū)動未來產(chǎn)業(yè)的技術(shù)迭代升級。進(jìn)而提升央企在電子材料研究領(lǐng)域的創(chuàng)新引領(lǐng)能力和民營企業(yè)的自主創(chuàng)新能力這兩種“關(guān)鍵能力”,突出央企引領(lǐng)作用建設(shè)創(chuàng)新型領(lǐng)軍企業(yè)和壯大產(chǎn)業(yè)集群帶動民營企業(yè)創(chuàng)新能力建設(shè)兩方面舉措。
電子材料行業(yè)內(nèi)的“卡脖子”問題。既有政策技術(shù)原因,也有社會經(jīng)濟(jì)層面的因素,因此,在“卡脖子”技術(shù)的攻克上要充分發(fā)揮我國社會主義制度優(yōu)勢,整合國內(nèi)資源,作出優(yōu)先部署,集中力量對“卡脖子”技術(shù)進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)突破;同時也要徹底解決“卡脖子”的根源—基礎(chǔ)理論研究薄弱。通過政策技術(shù)和社會經(jīng)濟(jì)的調(diào)整,預(yù)計(jì)可以達(dá)成以下幾個方面的成效:
(1)建立以高校和研究院所為主體的電子材料創(chuàng)新研究體系。高校應(yīng)當(dāng)發(fā)揮學(xué)科門類齊全、科技人才聚集、基礎(chǔ)研究厚實(shí)等獨(dú)特優(yōu)勢,努力瞄準(zhǔn)世界科技前沿,加強(qiáng)對關(guān)鍵共性技術(shù)、前沿引領(lǐng)技術(shù)、現(xiàn)代工程技術(shù)、顛覆性技術(shù)的攻關(guān)創(chuàng)新,在服務(wù)國家實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵核心技術(shù)自主可控、牢牢掌握自主創(chuàng)新主動權(quán)方面擔(dān)當(dāng)重要責(zé)任。
(2)建立以具有國家責(zé)任的企業(yè)為主導(dǎo)的電子材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)共同體。不論是在計(jì)劃經(jīng)濟(jì)時期,還是社會主義市場經(jīng)濟(jì)時期,企業(yè)都是政府有效參與經(jīng)濟(jì)建設(shè)與治理的重要組織載體,是新時代推動國家治理體系與治理能力現(xiàn)代化的重要微觀主體[16]。
(3)建立以科研院所、高校和企業(yè)深度融合的關(guān)鍵核心技術(shù)聯(lián)合研發(fā)機(jī)制。在部分具備商業(yè)化前景的關(guān)鍵領(lǐng)域,大力實(shí)施軍民協(xié)同戰(zhàn)略,采取項(xiàng)目制的形式,推動形成以軍工企業(yè)和大型國有企業(yè)主導(dǎo)、民營企業(yè)參與等融通創(chuàng)新的新模式,組建面向“高效+研究院所+企業(yè)”的創(chuàng)新聯(lián)合體。
(4)構(gòu)建面向電子材料“卡脖子”技術(shù)的強(qiáng)協(xié)同與弱耦合的創(chuàng)新生態(tài)圈。通過努力實(shí)現(xiàn)國有企業(yè)和民營企業(yè)之間的產(chǎn)業(yè)鏈、創(chuàng)新鏈、價值鏈的分工協(xié)作體系,建構(gòu)面向多類創(chuàng)新主體、創(chuàng)新要素與創(chuàng)新機(jī)制協(xié)同耦合的創(chuàng)新共同體。
本文立足于先進(jìn)電子材料領(lǐng)域,對第三代半導(dǎo)體材料與半導(dǎo)體照明、新型顯示、大功率激光材料與器件、高端光電子與微電子材料四個主要方向的“卡脖子”技術(shù)進(jìn)行了分析。首先,闡述了“卡脖子”技術(shù)的特征及內(nèi)涵;其次,提出了一系列完善的“卡脖子”技術(shù)識別方法及步驟,并利用此方法對電子材料領(lǐng)域的技術(shù)性問題進(jìn)行了整理歸納;隨后,又分別針對材料、工藝、器件、裝備、軟件這五個方面的典型“卡脖子”技術(shù)問題,分析了國內(nèi)外的現(xiàn)狀以及差距;最后,從政策建議、科技計(jì)劃部署、高校、企業(yè)及研究所等多個層面提出了建議和措施,并分析了預(yù)期的成果。本文旨在探索“卡脖子”技術(shù)問題的攻關(guān)和突破的路徑,為我國能在“十四五”的新征程中搶占世界科技創(chuàng)新的制高點(diǎn)提供策略和指引。