第三代半導體是通過半導體新材料技術突破和性能提升實現顛覆式器件和系統的戰略性新興產業，具有戰略性和市場性雙重特征，當前材料正在全面突破，應用驅動市場將全面開啟，是推動移動通信、新能源汽車、高速列車、智能電網、新型顯示、通信傳感等產業創新發展和轉型升級的新引擎，是實現“雙碳”目標、“東數西算”戰略和保障國家產業安全的重要支撐。

 

　 第三代半導體產業技術創新戰略聯盟理事長吳玲在接受中國經濟時報記者專訪時認為，第三代半導體有緊迫的國家戰略需求和明確應用目標導向，任務覆蓋鏈條長、應用范圍廣、跨領域跨學科，需要立足全國一盤棋、全鏈條設計、一體化實施，把項目、人才、平臺、基地和產業金融等資源有效整合。當前正值新的地緣政治下全球半導體競爭力重構的歷史關鍵期，需要從國家層面制定實施精準、持續、穩定的第三代半導體發展戰略和支持政策，才能在核心技術突破的同時建立產業創新體系，形成若干龍頭品牌企業，提升我國在全球半導體產業的話語權。

應用需求驅動技術創新，抓機遇、迎變革、筑長板

 

 

吳玲：半導體產業是新的地緣政治下全球競爭焦點，是國家高技術實力、經濟安全、國防能力、國際競爭力的主要標志，經過60多年的發展，全球半導體材料出現了三次突破性的發展進程。第一代半導體興起于上世紀50年代，以硅（Si）、鍺（Ge）等元素半導體為主要代表，其典型應用是超大規模集成電路芯片，是人類進入信息社會的基石，迄今依然在半導體產業中處于主導地位。第二代半導體興起于上世紀70年代，以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）為代表的化合物半導體，彌補了Si材料在發光和高速輸運性質上的局限，應用于長波長光電子（紅外）和微波射頻電子技術，是人類進入光通信和移動通訊時代的基礎。

 

第三代半導體興起于上世紀90年代初，以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）等帶隙寬度明顯大于硅（Si）和砷化鎵（GaAs）的寬禁帶半導體材料為代表，具備擊穿電場高、熱導率大、電子飽和漂移速率高、抗輻射能力強等優越性能，功率芯片將大幅提升特高壓柔性電網、高速列車、新能源汽車、工業電機、智能制造等新興產業的能源利用效率和智能化水平，射頻芯片支撐5G/6G通信重要的核心數據傳輸功能，滿足綠色發展、智能制造等國家重大戰略需求，對新興產業的帶動面廣、拉動性強。

 

從國際半導體產業發展趨勢來看，隨著硅半導體材料主導的摩爾定律逐漸走向其物理極限，同時硅也滿足不了微波射頻、高效功率電子和光電子等新需求快速發展的需要，以化合物半導體材料，特別是第三代半導體材料為代表的半導體新材料快速崛起，未來10年將對國際半導體產業格局的重塑產生至關重要的影響。

 

當前國際第三代半導體材料、器件實現了從研發到規模性量產的成功跨越，已進入產業化快速發展階段，在新能源汽車、高速列車、5G通信、光伏并網、消費類電子等多個重點應用領域實現了突破，未來5年將是第三代半導體產業發展的關鍵期，全球資本加速進入第三代半導體材料、器件領域，產能大幅度提升，企業并購頻發，正處于產業爆發前的“搶跑”階段。美國、日本、歐洲等發達國家在已有半導體產業優勢的基礎上，通過設立國家級創新中心、產業聯盟等形式，引領、加速并搶占全球第三代半導體市場。我國第三代半導體領域在國家科技計劃的支持下，初步形成了從材料、器件到應用的全產業鏈，但整體產業競爭力不強，可持續發展的能力較弱。

 

半導體照明自主可控，光電子與微電子深度融合，跨界創新應用有望引領發展。國內LED產業經過近20年的發展，已成為全球最大的生產、消費和出口國，2021年我國半導體照明產值7773億元，芯片國產化率接近80%，Si基LED芯片技術處于國際領先。隨著光電子技術的發展，不斷催生Micro-LED、深紫外LED等新興產業，面臨著與微電子技術以及光生物、光健康、光治療等跨界技術的融合，涉及到跨學科、跨領域的技術開發及協同創新方面的挑戰。深紫外方面研發水平基本與國際同步，但在點缺陷控制、光模式調控、高場擊穿調控等方面與美日水平相差3-5年。深紫外LED已在新冠肺炎疫情防治的公共安全領域開展示范應用。目前小功率芯片已規模化量產，但外量子效率與美國、日本有較大差距，高端芯片產品主要依賴進口。在Micro-LED方面，我國GaN基紅光Micro-LED研究水平國際領先，藍、綠光Micro-LED芯片效率基本與國際同步，在巨量轉移等方面與國際水平有3-5年的差距。

 

微波射頻開始國產替代，部分技術達到國際先進水平。基于第三代半導體材料的微波射頻芯片是通信裝備的核心基礎，在5G通信移動基站實現6GHz以下產品小批量供應，解決了中興、華為的燃眉之急，實現近10萬只GaN功放管銷售，2020年國內宏站用氮化鎵射頻器件國產化率超過20%。我國目前在材料應力控制、熱管理、線性度、超高頻器件、可靠性等方面與美國等還有3-5年的差距，材料和器件制備關鍵裝備部分依賴國外。預計2023年進入毫米波頻段商用，集成功放、低噪放、開關功能，國內目前還不具備產業化能力。6G已啟動預研，太赫茲頻段進入技術論證和研究階段，預計2030年實現商用。

 

功率電子契合國家“雙碳”戰略，需求拉動產業鏈能力提升，但車規級、電網級高端產品與國際先進水平仍有較大差距。以新能源大規模開發利用和新型用電設施廣泛發展為標志的新一輪能源革命蓬勃興起。當前能源技術革命已經從電力高端裝備的發展逐步向由材料革命的發展來帶動和引領。在建設新能源為主體的新型電力系統中，碳化硅是目前已知的可達到萬伏千安等級（特高壓柔性直流輸電必需）的唯一的功率半導體材料，可實現電力電子裝置的小型化和模塊化（體積減小40%，能量損耗減少50%），大幅提高能源互聯網的可靠性、可控性，推動傳統電網向半導體電網發展。5G基站、數據中心等新型用電設施的大規模建設運行，能耗問題已成為主要瓶頸（電費占運行成本一半），發展基于第三代半導體材料的高效電能轉換技術刻不容緩，可使5G基站和數據中心電源變換損耗減少30%。

 

2021年，我國第三代半導體產業電力電子（SiC、GaN）產值規模達58億元，同比增長29.6%，新能源汽車（含充電樁）是未來5年最大驅力，消費電子、PV光伏市場也保持高速增長。在碳化硅材料方面，國際上6英寸是主流技術，正在發展8英寸，美國Cree、意法半導體等已發布8英寸SiC襯底產品，預計未來3年將啟動規模應用。目前我國已實現4英寸SiC襯底材料產業化，6英寸小批量試用。實現600-1700VSiC二極管量產，開發出1200-3300VSiCMOSFET小批量產品，已經在充電樁、光伏、車載充電器等中小功率領域實現應用。比亞迪、蔚來、小鵬等車企均推出車型采用全SiC模塊的電機驅動控制器，其中比亞迪漢已銷售10萬輛，預計到2023年，SiC將全面替代Si的IGBT。與國際上相比，我國在技術成熟度、產業化能力、產業鏈配套方面都存在較大差距，產業整體的技術水平落后世界先進水平5年左右。比如新能源汽車電驅動核心功率芯片被國外的大公司所壟斷（如英飛凌、Cree等），美國Cree等公司占有全球SiC襯底材料產量的70%以上。另外目前國內產線產業化水平和能力仍然滿足不了產業應用需求，成為當前產業鏈主要短板。

 

摩爾定律主導的技術以硅材料為核心，以馮·諾依曼架構為基礎，以幾何尺寸縮小和器件效能提升為標志，已逐漸趨近物理極限。以第三代半導體為代表的化合物半導體側重于功能的多樣化，由應用需求驅動，為未來低碳、智能化社會發展提供了更多技術解決方案。同時物理學、材料科學、量子科學及微納加工技術不斷發展，為半導體信息器件提供了新的發展維度，衍生出基于新原理、新材料的顛覆性器件。超寬禁帶半導體、自旋電子學材料等半導體新材料全球處于競爭初期，我國與國際基本同步，亟須持續加緊布局。

 

盡管我國在第三代半導體技術和產業方面與國際有一定的差距，但中國在第三代半導體的應用需求和制度安排上有戰略優勢，應用驅動的發展模式有利于中國這種制造和市場大國。中國引領的全球能源互聯網、高速軌道交通、新能源汽車、5G移動通信、消費電子等應用市場，都離不開第三代半導體的支撐。相較硅集成電路，第三代半導體材料對芯片性能起決定性作用，芯片制造工藝門檻相對低、投資小，對尺寸線寬、設計復雜度的要求遠低于硅集成電路，在材料、裝備、設計和芯片代工方面都有一些發展勢頭很好的企業，打破封鎖的可能性更大，是最適合中國目前發力的半導體具體領域。

 

 

 

吳玲：當前以美國為主導的逆全球化浪潮加劇，信息安全、產業鏈安全、產業升級等多因素驅動，我國亟須擺脫對半導體產業鏈高度的對外依賴。我國產業面臨的主要問題與挑戰如下。

 

第一，產業鏈條不通、迭代研發不夠、資源整合不足。半導體在應用系統中成本占比低，但性能和可靠性要求高，特別是汽車、高鐵、電網等高可靠性要求行業，國產材料和器件進入應用供應鏈難度大、周期長，沒有機會通過應用驗證進行迭代研發，產業化能力提升慢。我國企業普遍小、散、弱，研發力量分散，低水平同質競爭。中試階段迭代成本高，缺乏全鏈條的配套與整合能力，特別是涉及跨學科、跨鏈條、顛覆式技術路線的創新難度大，單靠企業力量很難實現，需要有強有力的牽頭主體統籌組織形成全鏈條協同。

 

第二，開放的研發中試平臺缺位，質量評價體系落后。共性技術需要開放的、高水平的硬件平臺支撐大中小企業融通聯合研發，材料要被市場接受，需要解決可靠性、測試評價、標準等問題。雖然目前個別科研院所的平臺有一定的功能，但設備條件不足、開放性不夠、缺乏持續的資金支持。單獨企業建立的平臺開放性不夠、鏈條覆蓋少，特別是同行競爭企業很難使用。標準、檢測認證等能力也跟不上，質量評價體系落后。比如車規級功率器件國內車企基本等同采用英飛凌等國際大公司的企業標準，對國產材料和器件缺乏統一的評價方法、標準和第三方測評機構，導致國產化推進慢、配合意愿度低。

 

第三，“政產學研用金”聯動的科研攻關組織模式尚待完善。第三代半導體材料和器件既有面向電網、高鐵等壟斷行業的高端定制化產品需求，也有面向新能源、智能制造、消費類電子、新能源汽車等市場充分競爭的多樣化產品需求。目前國內企業或科研機構只能覆蓋個別環節，在央地協同、政企結合、研產融合、國際合作的技術創新體系閉環方面能力不足，特別是在與國家重大科技項目部署銜接方面，需要與第三方組織建立協同一致的創新機制和利益共同體的連接機制。

 

 

 

吳玲：我認為，加快提升我國第三代半導體產業鏈產業鏈供應鏈現代化水平，可以從以下幾個方面發力。

 

第一，聚焦國家戰略，重大項目牽引，凝聚創新合力。盡快啟動國家2030重大項目和材料國家實驗室，建設戰略定位高端、組織運行開放、創新資源聚集的平臺和國家戰略科技力量，創建重大項目、創新中心、產業基地、基金一體化組織模式，發揮新型舉國體制優勢，統籌規劃、多措并舉、協同創新形成合力。引入專業第三方參與組織、協調和管理，建立清晰的管理界面，以及動態管理和考核辦法。針對不同細分領域建立目標明確、權責清晰、體系化任務型的產學研創新聯合體，集中力量，突破核心材料和裝備制約，打通堵點、斷點，形成產學研用緊密合作、大中小企業融通發展跨學科、跨領域、跨區域協同創新的局面。建立軍轉民協同創新模式，加強以應用為目標的基礎材料、設計、工藝、裝備、封測、標準等國家體系化能力建設，引導產業集群化發展。

 

第二，應用促發展，培育龍頭，加速產業化能力提升。發揮大市場優勢，以應用促發展，建立技術供給與市場化拉動一體化的實施機制，選取新能源汽車及充電設施、智能電網、數據中心電源、5G通信設施等新型基礎設施建設典型應用場景，以“百城億芯”示范工程推動新技術新產品落地，通過中央與地方政府投入，帶動企業和社會資本投入，加快迭代研發，打通產業鏈條，降低企業創新應用門檻。完善材料測試評價方法和標準，搭建國家級測試驗證和生產應用示范平臺。培育細分領域國際龍頭品牌企業，優化產業布局和產業鏈結構，不斷增強國家自主可控的技術鏈和產業鏈，提升我國產業創新能力和國際競爭力。

 

第三，多措并舉，完善產業生態發展環境。面向具有戰略性和市場性雙重特征、顛覆性技術還未形成規模化應用的新興產業領域，支持產業創新聯盟作為第三方非營利實體，組織牽頭創新聯合體群，構建科技資本鏈網，實現國家信用對研發鏈、產業鏈和資本鏈的拉動，對產業鏈優質企業和研發平臺進行篩選，通過承接重大項目、基金投資等注入國家信用，在財政、稅收、金融、人才、法律、知識產權各方面得到政策支持。引導各類資本參與創新項目的市場化、規模化放大，引導下游市場鏈資金以投資方式反哺上游研發鏈，實現良性循環。引進和培育由戰略性領軍人才、創新創業人才，特別是成熟的工程技術人才和青年人才等各類創新人才隊伍的人才體系。注重知識產權戰略，鼓勵專利運營，建立有競爭力的專利池。構建有序開放的技術標準與檢測認證服務體系，主動參與國際標準制訂，提高國際標準話語權。打造多主體、全鏈條、系統化的產業體系與生態，完善發展環境。

 

第四，開放創新，推進精準深入的國際合作。因勢利導把握契機，加快鞏固中歐科技合作，系統性的、最大限度地利用好歐洲在若干半導體領域的領先地位，聚集全球創新資源。吸引國外有基礎、有意愿與中國深化合作的優質科技企業落地中國，帶動本土產業鏈發展，推動中國企業與全球產業鏈的緊密合作，開展常態化海外項目的輸送與技術轉移。如西歐（荷蘭、德國、意大利、法國等）、北歐（瑞典、丹麥、芬蘭等）、東歐（波蘭、匈牙利等）等在產業鏈各環節均具備技術特色和優勢，但這些國家普遍存在產業鏈不完整、市場規模有限等發展瓶頸，在保證雙贏的條件下，他們有和我國合作的動力和意愿。充分發揮社會組織在國際合作中的獨特優勢，代表中國深入參與國際學術、技術組織，開展國際技術路線研究、標準研制等合作。

 

（來源：中國經濟時報  郭錦輝）