新舊動能轉換引領第三代半導體產業創新發展

半導體照明聯合創新國家重點實驗室主任

國家半導體照明工程研發及產業聯盟研發執行主席李晉閩

第三代半導體材料憑借其極其重要和具有戰略性的應用價值，成為提升新一代信息技術核心競爭力的重要支撐。第一代半導體材料以硅（Si）和鍺（Ge）等元素半導體為代表，奠定了微電子產業基礎；第二代半導體材料以砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP）為代表，奠定了信息產業基礎。以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）為代表的第三代半導體材料，其特有的高功率、高電壓、高頻率、高光效、高工作溫度等特性，在半導體照明、新一代移動通信、能源互聯網、高速軌道交通、新能源汽車、消費類電子等領域有著廣闊的應用前景，逐漸成為支撐綠色、低碳、智能社會的可持續發展的電子信息基礎。從長遠來看，第三代半導體是支撐國家重大戰略需求、實現引領發展、重塑全球半導體戰略格局的重大選擇，是一項推動新舊動能轉換和傳統產業升級的基礎性重要工作。

發展第三代半導體產業的必要性

二十一世紀是綠色發展的時代，綠色、低碳、智能成為現今社會發展的顯著特點，材料、信息、能源支撐了社會發展的需要,全球范圍內對于節能和性能的需要對半導體材料和器件提出了更高的要求，在這其中，第三代半導體的顯著優勢引發了全球矚目，并成為半導體技術研究前沿和產業競爭的焦點。當前，以氮化鎵、碳化硅為代表的第三代半導體在光電子、微波射頻、電力電子三大領域有著非常廣泛的應用前景并已得到了部分應用。其中，氮化鎵基材料體系是唯一覆蓋可見光到紫外波長范圍的半導體發光材料體系，基于氮化鎵體系材料的半導體照明成為最主流的照明手段，氮化鎵同時是目前能同時實現高頻、高效、大功率的唯一材料，能夠滿足例如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到萬伏千安等級的唯一功率半導體材料，未來在超特高壓輸電、全球能源互聯網的建立上將得到廣泛應用。

發展第三代半導體是落實能源戰略、發展綠色經濟的重要舉措。第三代半導體在用于工業電機、消費類電子等方面的通用電源上，比現有硅技術的節能有明顯優勢。供電系統中100%電能從光伏電站到電網傳輸，再到適配器，最終到達終端負載僅能剩余70%，而GaN器件可在每個變電環節減少2%-3%的電能損耗，從電站到終端負載可節電10-15%，到2030年我國總發電量將達到10萬億度，如果GaN器件實現30%市場替代率，預計可節電約3000億度。

第三代半導體既是支撐節能環保，應對能源與環境嚴峻挑戰的重要措施，又是開啟萬物互聯，支撐智能社會的發展的必要手段。第三代半導體為移動通信、衛星通信提供峰值10Gbps以上的帶寬、毫秒級時延和超高密度連接的核心器件，并為移動終端、智能設備提供低能耗、小型化、便攜式的供電系統，為下一代的移動通信、衛星通訊創造了得天獨厚的條件。例如一部雷達造價2億多美元，70%為精密器件，使用了數萬個全固態X波段8W的GaAs MMIC ，若升級采用X波段16W的GaN MMIC，將實現超高精度、超遠距離的精密探測。

第三代半導體產業發展的現狀及趨勢

國內外第三代半導體產業的發展已進入提速階段，即將爆發大規模應用。國際上4英寸、6英寸SiC襯底材料已經產業化，SiC基肖特基二極管（SBD）、金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）等均已實現量產，實驗研發正朝著高耐壓的芯片推進，使用SiC轉換器和逆變器的高鐵、基于SiC功率器件的能源互聯網作為示范應用已得到突破。GaN材料方面，美國、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、移動基站、衛星通信上實現了重大突破；光電器件是GaN材料最成熟的應用領域，GaN基LED、激光器、探測器相繼走向民用并牢牢占據了市場。

當前，第三代半導體產業國際格局已基本形成，并隨著產業進程加速，逐步深入滲透市場。電力電子領域目前呈現美國、歐洲、日本三足鼎立的態勢。預計至2024年，第三代半導體功率電子的滲透率將達到13%。

2017年，我國半導體照明產業整體產值超過6000億元，而電力電子和微波射頻產業還處于起步階段。與國際領先水平相比，我國在第三代半導體襯底、外延材料、器件的整體技術水平落后3年左右。在第三代半導體光電子領域，我國成功實現了半導體照明的產業化，接近國際先進水平；在微電子方面，我國只在光伏逆變器、軍工領域（雷達）等領域有小規模應用。為了加快我國第三代半導體產業發展，政府發布了諸多重大規劃綱要，通過重點專項引領研發和投資熱潮，目前國家電網、中車、華為、十三所等大用戶單位和科研院所都開始積極部署，預計在2018年，我國的第三代半導體產業發展速度將顯著提高。

第三代半導體材料及應用已進入爆發式增長期，將深刻改變全球半導體產業格局，美、日、歐、韓等國高度重視，紛紛部署國家計劃搶占戰略制高點，通過國家級創新中心、協同創新中心、聯合研發等形式，將企業、高校、研究機構及相關政府部門等聯合在一起，針對應用需求，引導資源進入產品級的開發和市場終端應用，進而引領、加速并搶占全球第三代半導體市場。我國政府也高度關注，國務院和地方政府先后啟動了“十三五”國家重點研發計劃和相關科技計劃專項，將第三代半導體作為新材料研發及應用重大工程的重要部分，預計至2020年完成產業基礎建設，核心裝備、核心工藝、基礎器件相繼開發；2021-2025年光電子、電力電子和微波射頻三大市場初具規模，滿足市場需求的國產器件、國產裝備全面實現產業化；至2030年，第三代半導體產業全面高速發展，具有中國特色的裝備和技術占領國際市場，中國成為第三代半導體產業強國。

我國第三代半導體產業發展戰略

當前，各國都在積極部署搶占第三代半導體發展的制高點，我國也處于產業化準備的關鍵時期，相比而言，國內的大市場需求、高產能需要和快技術發展為我國的第三代半導體產業建立了得天獨厚的應用優勢，在這個國際半導體產業和裝備巨頭還未形成專利、標準和規模的壟斷的窗口期，我們完全有能力、有條件，通過具有中國特色的“政產學研用”協同創新模式，推動第三代半導體產業的快速發展。

然而，我們不能忽視當前面臨的巨大挑戰，包括缺乏一體化實施的牽頭主體、穩定持續的團隊建設、核心材料、器件原始創新能力薄弱、產業創新體系和生態環境不完善等。針對上述問題，我國的第三代半導體產業必將采取以下發展戰略：首先要發揮國家特色實現全鏈條的設計和一體化實施；其次充分發揮企業在決策、投入和成果轉化方面主體作用，形成需求牽引；同時采用上游材料器件突破、中游系統領先、下游應用主導來推動材料和器件創新；還要將戰略高度建立在全球視野上，全面深度整合國際資源；特別是要依托第三代半導體產業技術創新戰略聯盟形成利益共同體，構建研發、產業和資本協同創新的發展模式。

半導體照明是第三代半導體發展第一個成功的突破口，2003年國家半導體照明工程啟動以來，中國的半導體照明產業實現了跨越式發展，從過去的追趕、并跑到現在進入了領跑階段，半導體照明創新應用國際領先，中國也邁入了制造大國行列。半導體照明的發展，探索了國家科技項目產業化道路，支撐了部委間政策貫通并形成合力，建立了行業科技與金融服務支撐體系，推動了深度融合的區域與國際合作，為第三代半導體產業體系奠定了扎實的基礎、并提供了很好的借鑒經驗，使第三代半導體產業向著構建健康的產業生態體系，提升價值鏈、對接資本鏈、完善國際化資源共享平臺的服務鏈方向持續推進。

第三代半導體是支撐國家重大戰略需求，實現引領發展、重塑全球半導體戰略格局的重大選擇，需要創新來引領、改革來推動，形成產業創新體系和可持續發展的生態環境，并從戰略高度全面、深入整合和利用國際資源，從利益共同體到命運共同體，實現共贏。