中國第三代半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展瓶頸與對(duì)策建議

■文/孫云杰 胡月 袁立科（中國科學(xué)技術(shù)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(dǎo)體作為信息產(chǎn)業(yè)的基石成為各國競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。2022年8月，美國發(fā)布《芯片與科學(xué)法案》，投資半導(dǎo)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(dǎo)體材料，以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）為代表的第三代半導(dǎo)體材料因其高頻、耐高壓、耐高溫、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)越性能，在培育戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)、帶動(dòng)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展、保障國計(jì)民生和國防安全等方面具有重要作用。《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》明確提出要在“集成電路”領(lǐng)域發(fā)展“碳化硅、氮化鎵等寬禁帶半導(dǎo)體”。當(dāng)前，第三代半導(dǎo)體技術(shù)處于產(chǎn)業(yè)爆發(fā)前的“搶跑”階段，有望成為中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的突圍先鋒。

一、中國第三代半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展階段研判與趨勢(shì)分析

第三代半導(dǎo)體材料主要應(yīng)用于功率電子、微波射頻和光電子等，是支撐下一代移動(dòng)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(jí)的重點(diǎn)核心材料。

（一）中國第三代半導(dǎo)體技術(shù)處于跟跑階段

中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)起步于20世紀(jì)50年代，與日韓發(fā)展半導(dǎo)體的時(shí)間相近。然而，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，中國半導(dǎo)體行業(yè)被美國和日本拉開較大差距。根據(jù)美國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)（SIA）數(shù)據(jù)，近20年來，美國半導(dǎo)體公司長期占據(jù)全球最大的市場(chǎng)份額，2021年達(dá)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(dǎo)體而言，中國與主要國家同處于第三代半導(dǎo)體技術(shù)產(chǎn)業(yè)爆發(fā)初期，正面臨逆勢(shì)翻盤的良好時(shí)機(jī)。

中國第三代半導(dǎo)體材料在國際上還處于跟跑階段，與美國等技術(shù)領(lǐng)先國家存在一定差距。從全球產(chǎn)業(yè)鏈來看，第三代半導(dǎo)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(dǎo)體技術(shù)大部分處于研發(fā)階段，正在朝產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用方向發(fā)展。根據(jù)大為innojoy專利檢索系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截至2021年10月，全球涉及第三代半導(dǎo)體材料GaN和SiC的相關(guān)專利共計(jì)23 738項(xiàng)，其中中國專利5232項(xiàng)、美國專利2772項(xiàng)。中國第三代半導(dǎo)體技術(shù)相關(guān)專利前10位的專利申請(qǐng)主體中，60%為高校及科研院所，前三位為西安電子科技大學(xué)（214項(xiàng)）、華燦光電（212項(xiàng)）和中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所（207項(xiàng)）。美國前10位專利申請(qǐng)主體中的80%為企業(yè)，前三位為克里公司（299項(xiàng)）、通用電氣（132項(xiàng)）以及國際商業(yè)機(jī)器公司（111項(xiàng)）。可見，國內(nèi)外在第三代半導(dǎo)體方面的研究存在差異性，美國等發(fā)達(dá)國家在該領(lǐng)域的研發(fā)主要集中在企業(yè)，研發(fā)成果更貼近市場(chǎng)，具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(yīng)用方面還相對(duì)欠缺。

（二）中國第三代半導(dǎo)體技術(shù)主要環(huán)節(jié)與國外的差距

在襯底方面，中國與國際領(lǐng)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(chǎng)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(jià)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(dǎo)體核心技術(shù)掌握程度比較

在外延方面，中國與國際領(lǐng)先水平差距正在縮小，國內(nèi)已有企業(yè)供應(yīng)6～8英寸外延，但生產(chǎn)質(zhì)量需進(jìn)一步提升。歐洲在SiC外延片方面優(yōu)勢(shì)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(dǎo)體。東莞天域和瀚天天成均能夠供應(yīng)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(chǔ)備與國際領(lǐng)先水平的差距較小。相比SiC，中國在GaN器件領(lǐng)域的發(fā)展更為迅速。GaN基FET器件相關(guān)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(tái)灣地區(qū)的臺(tái)積電和西安電子科技大學(xué)在該領(lǐng)域有一定優(yōu)勢(shì)。Micro LED相關(guān)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?qǐng)人排名中，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(dǎo)體技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

第三代半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展對(duì)于促進(jìn)社會(huì)節(jié)能減排、實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)具有重要意義。北京順義、山東濟(jì)南和深圳坪山均出臺(tái)了相關(guān)政策，支持第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展，形成了國內(nèi)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展三大集聚區(qū)。同時(shí)，中國也具備了較好的第三代半導(dǎo)體技術(shù)研發(fā)基礎(chǔ)，形成部分知識(shí)產(chǎn)權(quán)優(yōu)勢(shì)。當(dāng)前，國外第三代半導(dǎo)體技術(shù)尚未形成專利、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)模的完全壟斷，中國在市場(chǎng)和應(yīng)用領(lǐng)域具有顯著的戰(zhàn)略優(yōu)勢(shì)，可以通過自主創(chuàng)新，在不久的將來實(shí)現(xiàn)完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

近年來，第三代半導(dǎo)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(dǎo)體材料也在逐漸步入應(yīng)用視野，二維氮化鎵等二維材料也備受關(guān)注。面對(duì)新時(shí)代、新環(huán)境、新需求，第三代半導(dǎo)體材料所具有的獨(dú)特性，有望能突破傳統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù)瓶頸，支撐5G通信、國防軍工、新能源汽車和新能源光伏等領(lǐng)域的發(fā)展，對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展發(fā)揮重要的推動(dòng)作用。

二、中國第三代半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展面臨的瓶頸

第三代半導(dǎo)體技術(shù)涉及材料、能源、交通、信息、裝備、自動(dòng)化等多個(gè)領(lǐng)域，從基礎(chǔ)研究到工程化應(yīng)用的創(chuàng)新鏈較長。目前，中國第三代半導(dǎo)體技術(shù)在原始創(chuàng)新、制造技術(shù)、工程化、產(chǎn)業(yè)化等方面尚存在發(fā)展瓶頸。

（一）頂層設(shè)計(jì)缺乏，原始創(chuàng)新能力和人才儲(chǔ)備均顯不足

中國從21世紀(jì)初就開始部署第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域的研究開發(fā)，國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等均啟動(dòng)了相關(guān)研究項(xiàng)目，取得一系列研究成果。然而，相較于第三代半導(dǎo)體技術(shù)的廣闊應(yīng)用領(lǐng)域，中國第三代半導(dǎo)體技術(shù)原始創(chuàng)新能力仍有不足，很多重大科學(xué)技術(shù)問題亟待解決，如深紫外發(fā)光和激光領(lǐng)域第三代半導(dǎo)體的P型摻雜、第三代半導(dǎo)體的點(diǎn)缺陷問題等（張亮亮、李瑞，2021）。從體制機(jī)制來看，長期以來，中國對(duì)于第三代半導(dǎo)體技術(shù)的支持缺乏國家戰(zhàn)略層面的頂層設(shè)計(jì)，相比而言，2022年美國出臺(tái)的《芯片與科學(xué)法案》，制定了詳細(xì)的半導(dǎo)體領(lǐng)域研發(fā)投資規(guī)劃與人才培養(yǎng)計(jì)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(dá)國家對(duì)于芯片領(lǐng)域長期穩(wěn)定的支持，中國對(duì)于第三代半導(dǎo)體技術(shù)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(chǔ)研究及關(guān)鍵技術(shù)短板問題。從人才儲(chǔ)備來看，第三代半導(dǎo)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(dǎo)體人才培養(yǎng)體系，人才引進(jìn)也受到國際形勢(shì)制約。根據(jù)《中國集成電路產(chǎn)業(yè)人才發(fā)展報(bào)告》，按2014—2023年復(fù)合增長率20%計(jì)算，預(yù)計(jì)到2023年中國集成電路產(chǎn)業(yè)規(guī)模將達(dá)15 484億元；到2024年，全行業(yè)人才需求將達(dá)到78.9萬人左右，人才缺口21.83萬人。

（二）關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備緊缺，制造技術(shù)尚未完全成熟

中國半導(dǎo)體領(lǐng)域缺乏關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備的問題長期存在。在芯片生產(chǎn)領(lǐng)域，光刻機(jī)是至關(guān)重要的生產(chǎn)設(shè)備。近年來，美日等發(fā)達(dá)國家限制對(duì)中國出口先進(jìn)芯片制造設(shè)備，實(shí)行光刻機(jī)封鎖。現(xiàn)階段，中國自主研發(fā)的國產(chǎn)技術(shù)設(shè)備還無法滿足產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要，進(jìn)一步制約了中國高端芯片的發(fā)展。中國第三代半導(dǎo)體核心制造技術(shù)尚未完全成熟，穩(wěn)定性和可靠性是短板，企業(yè)生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)較大。例如，大尺寸晶圓生產(chǎn)線對(duì)材料技術(shù)和生產(chǎn)技術(shù)的要求高，國內(nèi)大尺寸晶圓制造技術(shù)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(fēng)險(xiǎn)加劇的同時(shí)，也帶來重復(fù)建設(shè)問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(tái)成本高，工程化技術(shù)水平較低

第三代半導(dǎo)體研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化需要昂貴的生產(chǎn)和工藝設(shè)備、高等級(jí)的潔凈環(huán)境和先進(jìn)的測(cè)試分析平臺(tái)，資金投入較大，運(yùn)行成本高。目前國內(nèi)進(jìn)行第三代半導(dǎo)體研發(fā)的科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)多為單兵作戰(zhàn)，已有中車時(shí)代、世紀(jì)金光、全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院和中國電子科技集團(tuán)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(wù)及產(chǎn)業(yè)化中試平臺(tái)，很多企業(yè)難以進(jìn)行工程化研發(fā)與試驗(yàn)，工程化技術(shù)成為突出的短板，導(dǎo)致第三代半導(dǎo)體的研發(fā)創(chuàng)新速度較慢。

（四）國產(chǎn)材料和器件難以進(jìn)入應(yīng)用供應(yīng)鏈，技術(shù)產(chǎn)業(yè)化能力較弱

第三代半導(dǎo)體下游應(yīng)用幾乎遍及所有用電領(lǐng)域，包括光電子、電力電子和微波射頻。國外第三代半導(dǎo)體企業(yè)正在推進(jìn)與終端應(yīng)用企業(yè)強(qiáng)綁定合作，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)布局。2019年，意法半導(dǎo)體被雷諾、日產(chǎn)、三菱聯(lián)盟指定為高能效碳化硅技術(shù)合作伙伴，為聯(lián)盟新一代電動(dòng)汽車的先進(jìn)車載充電器（OBC）提供功率電子器件。目前中國第三代半導(dǎo)體材料和器件（如Micro LED）在關(guān)鍵技術(shù)上持續(xù)突破，但技術(shù)產(chǎn)業(yè)化和市場(chǎng)應(yīng)用未能協(xié)同發(fā)展，標(biāo)準(zhǔn)、檢測(cè)、認(rèn)證等方面行業(yè)配套不足，國產(chǎn)器件進(jìn)入應(yīng)用供應(yīng)鏈難度大、周期長，難以通過應(yīng)用驗(yàn)證進(jìn)行迭代研發(fā)，導(dǎo)致產(chǎn)業(yè)化能力提升較慢。

三、中國第三代半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展相關(guān)建議

（一）加大研發(fā)支持力度，加強(qiáng)原始創(chuàng)新和核心技術(shù)攻關(guān)

“十四五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃已明確將第三代半導(dǎo)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(diǎn)、目標(biāo)導(dǎo)向原則，進(jìn)行統(tǒng)籌安排和長遠(yuǎn)部署。一是做好頂層設(shè)計(jì)，從資金、人才、組織等層面進(jìn)行創(chuàng)新要素整合，堅(jiān)持全國一盤棋，一體化部署，全鏈條設(shè)計(jì)。二是整合科研平臺(tái)，聚焦第三代半導(dǎo)體材料核心技術(shù)開展攻關(guān)計(jì)劃，強(qiáng)化國家自然科學(xué)基金委對(duì)第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究支持。三是引導(dǎo)投融資機(jī)構(gòu)、企業(yè)共同設(shè)立第三代半導(dǎo)體發(fā)展專項(xiàng)基金，聚焦行業(yè)生產(chǎn)技術(shù)瓶頸和市場(chǎng)應(yīng)用場(chǎng)景需求進(jìn)行支持。

（二）加速推進(jìn)人才引進(jìn)與培育，構(gòu)建產(chǎn)教融合人才培養(yǎng)體系

當(dāng)前，破解人才難題是推動(dòng)我國第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要任務(wù)。一是強(qiáng)化人才引進(jìn)與培育頂層設(shè)計(jì)，掌握第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展所需的人才類別、規(guī)模及緊迫程度，強(qiáng)化定向引才和柔性引才，強(qiáng)化企業(yè)與國內(nèi)高校、研究機(jī)構(gòu)的對(duì)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(jì)劃，大力推進(jìn)產(chǎn)教融合、協(xié)同育人戰(zhàn)略，積極促進(jìn)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(xué)科人才培養(yǎng)結(jié)構(gòu)體系和學(xué)科布局，聚焦第三代半導(dǎo)體技術(shù)，形成面向科技前沿和產(chǎn)業(yè)主戰(zhàn)場(chǎng)的人才培養(yǎng)格局。

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

結(jié)合第三代半導(dǎo)體技術(shù)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(shù)薄弱環(huán)節(jié)，強(qiáng)化產(chǎn)業(yè)上下游合作對(duì)接，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)生態(tài)健康發(fā)展。一是充分發(fā)揮第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟和國家第三代半導(dǎo)體技術(shù)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(shù)水平，解決產(chǎn)業(yè)化共性技術(shù)問題。二是推動(dòng)構(gòu)建從研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化到應(yīng)用全鏈條、跨領(lǐng)域、跨地域利益共同體，加強(qiáng)跨地區(qū)的上下游產(chǎn)業(yè)對(duì)接，共同承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)與分享收益。三是在新能源汽車、移動(dòng)通信、智能制造、智慧城市等領(lǐng)域，搭建國家級(jí)測(cè)試驗(yàn)證和生產(chǎn)應(yīng)用示范平臺(tái)，推動(dòng)第三代半導(dǎo)體國產(chǎn)材料和器件示范應(yīng)用。

（四）加強(qiáng)跨國跨區(qū)精準(zhǔn)合作，提升國際競(jìng)爭(zhēng)力

針對(duì)目前復(fù)雜多變的國際形勢(shì)，開展精準(zhǔn)、個(gè)性化、多形式的科技合作。第三代半導(dǎo)體技術(shù)主要集中在美國、日本和德國等國家。在當(dāng)前與美合作受限的形勢(shì)下，要加強(qiáng)與日本、德國的聯(lián)系，與有成熟技術(shù)的機(jī)構(gòu)、企業(yè)和研發(fā)團(tuán)隊(duì)開展深度合作。大膽探索人才的“雙跨”機(jī)制，舉辦全球創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大獎(jiǎng)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。