新旧动能转换引领第三代半导体产业创新发展

半导体照明联合创新国家重点实验室主任

国家半导体照明工程研发及产业联盟研发执行主席李晋闽

第三代半导体材料凭借其极其重要和具有战略性的应用价值，成为提升新一代信息技术核心竞争力的重要支撑。第一代半导体材料以硅（Si）和锗（Ge）等元素半导体为代表，奠定了微电子产业基础；第二代半导体材料以砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）为代表，奠定了信息产业基础。以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）为代表的第三代半导体材料，其特有的高功率、高电压、高频率、高光效、高工作温度等特性，在半导体照明、新一代移动通信、能源互联网、高速轨道交通、新能源汽车、消费类电子等领域有着广阔的应用前景，逐渐成为支撑绿色、低碳、智能社会的可持续发展的电子信息基础。从长远来看，第三代半导体是支撑国家重大战略需求、实现引领发展、重塑全球半导体战略格局的重大选择，是一项推动新旧动能转换和传统产业升级的基础性重要工作。

发展第三代半导体产业的必要性

二十一世纪是绿色发展的时代，绿色、低碳、智能成为现今社会发展的显著特点，材料、信息、能源支撑了社会发展的需要,全球范围内对于节能和性能的需要对半导体材料和器件提出了更高的要求，在这其中，第三代半导体的显著优势引发了全球瞩目，并成为半导体技术研究前沿和产业竞争的焦点。当前，以氮化镓、碳化硅为代表的第三代半导体在光电子、微波射频、电力电子三大领域有着非常广泛的应用前景并已得到了部分应用。其中，氮化镓基材料体系是唯一覆盖可见光到紫外波长范围的半导体发光材料体系，基于氮化镓体系材料的半导体照明成为最主流的照明手段，氮化镓同时是目前能同时实现高频、高效、大功率的唯一材料，能够满足例如5G通信中40GHz以上的频率覆盖和几瓦到几百瓦输出功率。碳化硅是目前已知的可达到万伏千安等级的唯一功率半导体材料，未来在超特高压输电、全球能源互联网的建立上将得到广泛应用。

发展第三代半导体是落实能源战略、发展绿色经济的重要举措。第三代半导体在用于工业电机、消费类电子等方面的通用电源上，比现有硅技术的节能有明显优势。供电系统中100%电能从光伏电站到电网传输，再到适配器，最终到达终端负载仅能剩余70%，而GaN器件可在每个变电环节减少2%-3%的电能损耗，从电站到终端负载可节电10-15%，到2030年我国总发电量将达到10万亿度，如果GaN器件实现30%市场替代率，预计可节电约3000亿度。

第三代半导体既是支撑节能环保，应对能源与环境严峻挑战的重要措施，又是开启万物互联，支撑智能社会的发展的必要手段。第三代半导体为移动通信、卫星通信提供峰值10Gbps以上的带宽、毫秒级时延和超高密度连接的核心器件，并为移动终端、智能设备提供低能耗、小型化、便携式的供电系统，为下一代的移动通信、卫星通讯创造了得天独厚的条件。例如一部雷达造价2亿多美元，70%为精密器件，使用了数万个全固态X波段8W的GaAs MMIC ，若升级采用X波段16W的GaN MMIC，将实现超高精度、超远距离的精密探测。

第三代半导体产业发展的现状及趋势

国内外第三代半导体产业的发展已进入提速阶段，即将爆发大规模应用。国际上4英寸、6英寸SiC衬底材料已经产业化，SiC基肖特基二极管（SBD）、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）等均已实现量产，实验研发正朝着高耐压的芯片推进，使用SiC转换器和逆变器的高铁、基于SiC功率器件的能源互联网作为示范应用已得到突破。GaN材料方面，美国、日本等多家公司已可以出售2-3英寸GaN衬底、6英寸的GaN外延材料，GaN电力电子器件、GaN微波射频器件逐步走向成熟，在光伏逆变器、移动基站、卫星通信上实现了重大突破；光电器件是GaN材料最成熟的应用领域，GaN基LED、激光器、探测器相继走向民用并牢牢占据了市场。

当前，第三代半导体产业国际格局已基本形成，并随着产业进程加速，逐步深入渗透市场。电力电子领域目前呈现美国、欧洲、日本三足鼎立的态势。预计至2024年，第三代半导体功率电子的渗透率将达到13%。

2017年，我国半导体照明产业整体产值超过6000亿元，而电力电子和微波射频产业还处于起步阶段。与国际领先水平相比，我国在第三代半导体衬底、外延材料、器件的整体技术水平落后3年左右。在第三代半导体光电子领域，我国成功实现了半导体照明的产业化，接近国际先进水平；在微电子方面，我国只在光伏逆变器、军工领域（雷达）等领域有小规模应用。为了加快我国第三代半导体产业发展，政府发布了诸多重大规划纲要，通过重点专项引领研发和投资热潮，目前国家电网、中车、华为、十三所等大用户单位和科研院所都开始积极部署，预计在2018年，我国的第三代半导体产业发展速度将显著提高。

第三代半导体材料及应用已进入爆发式增长期，将深刻改变全球半导体产业格局，美、日、欧、韩等国高度重视，纷纷部署国家计划抢占战略制高点，通过国家级创新中心、协同创新中心、联合研发等形式，将企业、高校、研究机构及相关政府部门等联合在一起，针对应用需求，引导资源进入产品级的开发和市场终端应用，进而引领、加速并抢占全球第三代半导体市场。我国政府也高度关注，国务院和地方政府先后启动了“十三五”国家重点研发计划和相关科技计划专项，将第三代半导体作为新材料研发及应用重大工程的重要部分，预计至2020年完成产业基础建设，核心装备、核心工艺、基础器件相继开发；2021-2025年光电子、电力电子和微波射频三大市场初具规模，满足市场需求的国产器件、国产装备全面实现产业化；至2030年，第三代半导体产业全面高速发展，具有中国特色的装备和技术占领国际市场，中国成为第三代半导体产业强国。

我国第三代半导体产业发展战略

当前，各国都在积极部署抢占第三代半导体发展的制高点，我国也处于产业化准备的关键时期，相比而言，国内的大市场需求、高产能需要和快技术发展为我国的第三代半导体产业建立了得天独厚的应用优势，在这个国际半导体产业和装备巨头还未形成专利、标准和规模的垄断的窗口期，我们完全有能力、有条件，通过具有中国特色的“政产学研用”协同创新模式，推动第三代半导体产业的快速发展。

然而，我们不能忽视当前面临的巨大挑战，包括缺乏一体化实施的牵头主体、稳定持续的团队建设、核心材料、器件原始创新能力薄弱、产业创新体系和生态环境不完善等。针对上述问题，我国的第三代半导体产业必将采取以下发展战略：首先要发挥国家特色实现全链条的设计和一体化实施；其次充分发挥企业在决策、投入和成果转化方面主体作用，形成需求牵引；同时采用上游材料器件突破、中游系统领先、下游应用主导来推动材料和器件创新；还要将战略高度建立在全球视野上，全面深度整合国际资源；特别是要依托第三代半导体产业技术创新战略联盟形成利益共同体，构建研发、产业和资本协同创新的发展模式。

半导体照明是第三代半导体发展第一个成功的突破口，2003年国家半导体照明工程启动以来，中国的半导体照明产业实现了跨越式发展，从过去的追赶、并跑到现在进入了领跑阶段，半导体照明创新应用国际领先，中国也迈入了制造大国行列。半导体照明的发展，探索了国家科技项目产业化道路，支撑了部委间政策贯通并形成合力，建立了行业科技与金融服务支撑体系，推动了深度融合的区域与国际合作，为第三代半导体产业体系奠定了扎实的基础、并提供了很好的借鉴经验，使第三代半导体产业向着构建健康的产业生态体系，提升价值链、对接资本链、完善国际化资源共享平台的服务链方向持续推进。

第三代半导体是支撑国家重大战略需求，实现引领发展、重塑全球半导体战略格局的重大选择，需要创新来引领、改革来推动，形成产业创新体系和可持续发展的生态环境，并从战略高度全面、深入整合和利用国际资源，从利益共同体到命运共同体，实现共赢。