投资掀热潮！第三代半导体是何方神圣？

黄芳芳

编者按：

材料是当前世界新技术革命的三大支柱（材料、信息、能源）之一。新材料的发现、发明和应用推广与技术革命和产业变革密不可分。“十三五”规划纲要和《中国制造2025》均对新材料产业发展指明方向。《经济》杂志从本期开始增设“发现新材料新技术”系列，报道最具潜力的新材料和新技术，探索新兴产业的发展方向。

20多年前，我國第三代半导体材料研发起步。经过多年的发展，第三代半导体材料在光电子器件、电力电子器件和射频器件领域均获得了巨大进展。

第三代半导体材料兼具国家战略性新材料的特性和拉动经济新增点的潜力。近年来，国家基金、地方政府、民间资本都对这一行业热情高涨。

据资料显示，2015年下半年至2016年底已经立项（已经环评公示）的第三代半导体相关项目达18项，总投资金额近180亿元，共涉及投资主体企业15家。其中不乏国家集成电路产业基金、行业龙头三安光电以及国家电网、中车、华为等大型企业的身影。

第三代半导体材料能干啥？

“目前国内业界所说的第三代半导体材料，基本上相当于国际上的宽禁带半导体材料，是以碳化硅和氮化镓为代表的一些先进半导体材料的统称。”浙江大学电气工程学院特聘教授、教育部长江学者盛况如是告诉《经济》记者。

半导体材料是制作半导体器件和集成电路的电子材料。1958年，世界上第一块集成电路在美国诞生，由此开启了芯片时代。1965年，中国独立研制出第一块集成电路。

1958年以后，半导体材料逐渐走上了升级之路。第一代半导体材料是以硅和锗为代表的元素半导体，用于电子器件。第二代半导体材料是以砷化镓、磷化铟为代表的化合物半导体材料。“与第一代半导体材料相比，它能够发光，但只是红光波长以上的光。”专研宽禁带半导体材料有14年之久的保定中创燕园半导体科技有限公司总经理、北京大学博士孙永健对《经济》记者说。

以氮化镓、碳化硅为代表的第三代半导体材料，发光波长几乎涵盖所有可见光，因而其应用领域十分广阔。孙永健对记者解释，红绿蓝三基色能调配出任何一种颜色。第三代半导体材料发出的蓝光是调出白光LED的基础。

第三代半导体材料现在和将来能改变生活的方面主要集中在三大领域。

一是发光。它能做成LED（发光二极管）。用于显示如手机屏、电视屏、大型显示屏等，亦可用于照明，如电灯、路灯、汽车前灯等。近年来，国内LED行业发展非常迅速，占据了大部分的显示市场；同时，很多照明领域都在逐步被LED照明所替代。盛况认为，我国在这一领域的发展是很成功的。

二是通讯。人们对它的预期前景是5G，即第五代移动通信网络。第三代半导体产业技术创新战略联盟秘书长于坤山告诉《经济》记者，在移动通信的设备领域，我国的华为和中兴通讯已经成为全球领先的企业，其中基站用的射频功放管器件，仅华为和中兴通讯每年的采购量近亿只，采购金额超过100亿元。目前基本依赖进口。于坤山认为，实现以GaN（氮化镓）射频功放管器件为代表的核心器件国产化，将对我国在未来5G通信竞争中打破受制于人的局面具有重要的意义。

三是电能变换。这是盛况教授多年所钻研和探索的领域。电能变换的应用领域非常广，所有用电的装备、设施，几乎都要用电能变换的半导体器件对电能进行控制、管理和变换。

电能变换的用途量大面广。盛况向记者举例，轨道交通、新能源汽车、光伏和风电的并网，以及消费类电子中的变频空调、冰箱、手机充电器、电脑电源等都需要半导体器件。如果第三代半导体材料能替代现在第二代半导体材料，能使半导体器件的功率更大、效率更高、体积更小。

“同时也更绿色节能。”于坤山对记者举例，美国工程院院士Fred C.LEE曾表示数据中心未来将带来大量的能耗，如果采用第三代半导体的电力电子器件并从结构上整体优化，能将效率由原来的73%提升到87%。相当于节省3.5个三峡的发电量。

盛况指出，碳化硅和氮化镓都可以做电力电子器件。基于这两种材料的器件发展各有各的难度。碳化硅器件的研究时间更长，技术更成熟，在产业化和市场化比氮化镓器件走得远一些。目前一些先进的汽车厂商已经在开始用碳化硅器件，比如特斯拉。尽管手机充电器尚未大量使用氮化镓器件。相信在不远的将来，手机充电器可能会具备快充和高功率密度两大特点。在这个领域，氮化镓的用途可能会更明显。

盛况表示，在今后的5到10年里，第三代半导体材料将在半导体照明及显示、通讯、电能变换的行业中起到越来越重要的作用。

全球抢占的制高点

“第三代半导体主要的材料SiC（碳化硅）和GaN（氮化镓）中镓的储量全球第一，足够承担未来应用。我很认同第三代半导体材料将成为全球抢占的制高点。”于坤山坚定地说。

据《第三代半导体材料及应用产业发展报告（2016）》显示，2016年，美国总统科学和技术顾问委员会（PCAST）发布了《确保美国在半导体领域的长期领导地位》的报告。美国国家宇航局、国防部高级研究计划署等机构通过自主研发、购买订单等方式开展碳化硅、氮化镓研发、生产与器件研发。

同年，英国化合物半导体应用创新中心，投入400万英镑加速化合物半导体器件商业应用。日本政府开展联合研发项目——氮化镓功率元件开发项目为期5年，第一年（2016年度）预算为10亿日元。也就是说，发达国家在第三代半导体材料的研发和产业化上布局明晰、投入巨大。

于坤山表示，2016年，国务院印发《“十三五”国家科技创新规划》，第三代半导体作为重点新材料研发及应用重大工程的重要部分，有望于2017年启动。2016年12月，国务院成立国家新材料产业发展领导小组，贯彻实施制造强国战略，加快推进新材料产业发展，将第三代半导体列为重点方向。

盛况指出，一方面，第三代半导体材料的应用面非常广，它涉及生活的方方面面，市场规模巨大。因此，从经济的角度，我国一定要发展它。另一个更重要的因素是它对我国的国防安全至关重要。国防现代化需要最新的科技技术，而不管是碳化硅还是氮化镓都是其中的关键材料，未来这两方面需求都将非常大。

于坤山对此表示认同，现代国防技术和空天技术对第三代半导体提出了重大需求。使用高频、高可靠、长寿命、工作温度范围宽、抗辐照能力强的第三代半导体电力电子器件可以有效降低电源及配电分系统的重量和体积，降低航天器的发射成本并增加装载容量，改善航天器电子设备的设计容限。实现高压、高温、强辐照等恶劣条件下工作的舰艇、飞机及智能武器电磁炮等众多军用电子系统，起到抵抗极端环境和降低能耗的作用。

2016年，LED产业有两次要约收购事件都因美国政府而终止。一是，中国宏芯投资基金要约收购德国半导体设备生产商爱思强（Aixtron）；二是，金沙江创投欲收购飞利浦旗下LED生产商Lumileds。于坤山表示，在上述领域发达国家一直对我国实行严格的限制与禁运，自主研发势在必行。

赛迪智库集成电路产业研究所副所长林雨对《经济》记者解释，爱思强主要是生产MOCVD设备（金属有机气相外延生长技术）的企业。美国方面认为，这个设备不仅能做LED外延，更能做砷化镓的外延，而做成的应用产品如射频器能应用在导弹上。“美国的防范很严，技术来源基本被堵死。因而，我国在射频和功率器件上发展较为缓慢。好在中国电子科技集团公司第十三研究所、第五十五研究所有一定的积累，未来一定会实现技术攻关。”

产业化瓶颈多

最近十几年，电力电子芯片企业数量逐渐增多。但国内芯片企业主要在生产基于硅材料的器件，如IGBT器件等。而以碳化硅、氮化镓为代表的第三代半导体电力电子器件，国内的研发和产业化与国外还有较为明显的差距。

电力电子器件（Power Electronic Devices）又称为功率半导体器件，通过用于各种功率设备中的电能变换，能让能源的使用变得更高效、更适合用户的需求。上文提到的电能变换所用到的器件即电力电子器件，它的核心是电力电子芯片，由于在该领域和国外的技术和产业差距，我国每年都要进口相当数量的该类芯片。

2009年底，盛况放弃了美国知名大学终身执教的身份，回国以后，他和他的团队联合国内一些电力其他单位，共同努力攻克第三代半导体器件关键技术，并将第三代半导体材料研究成果推向产业界，有些已经在产业界取得了初步应用。

孙永健认为，在电力电子器件方面，最大的瓶颈是基础原材料的制备。原材料的生长需要很多条件，一旦做成产品需要控制的指标更多。氮化镓的单晶材料和生产氮化镓的衬底材料，以及如何解决元器件功率散热问题尚待解决。由于技术门槛高，摸索起来较难，国内外发展趋势和进度相似。

“由于起步晚，第三代半导体材料产业在很多方面与国外差距较大。”国家半导体照明工程研发及产业联盟副秘书长耿博对记者说，比如，原始创新、应用创新与国外差距较大，创新链没有打通，缺乏有能力落实全链条设计、一体化整体实施的牵头主体。目前国家科技计划以项目和课题为主的管理方式，牵头单位对项目内参与单位的约束力和过程中调控力弱，通过竞争的方式争取项目，容易造成强强竞争、资源分散等问题，无法形成利益共同体，缺乏有能力落实一体化整体实施的牵头主体。

再如，半导体产业是高度技术密集型、需要大量投资、高水平科研的产业。我国技术起步晚，科研机构研发资源分散且重复，与產业协同研发及转化机制不健全，难以形成对产业的持续支撑。

此外，产业培育和发展服务不配套。我国在第三代半导体产业具有爆发性增长潜力的应用领域，例如5G移动通信、电动汽车充电桩、光伏逆变等，与国外相关产业和市场的差距还比较明显，落后程度甚于技术层面的落后程度，缺乏对国产材料和器件的应用试错支持。

在标准、检测、认证等方面的行业规则、办事程序和现有的体制等与新材料产业发展规律和特点不相匹配，尚未解决材料“能用-可用-好用”发展过程中的问题和障碍。耿博建议，通过示范工程，培育市场，建立新的标准、检测与认证体系，在政策上形成“组合拳”。

投资起热潮资本在观望

LED是第三代半导体材料发展最快的应用领域。2016年国内LED产业的产值超过5000亿元。孙永健指出，如果射频器件、激光器和探测器产业做起来，预计市场规模将更大。据统计，2016年，我国第三代半导体电力电子器件的市场规模约1.6亿元，但90%的市场被进口产品所占有。第三代半导体材料和器件的需求量国内外都在迅速增加，但是国内生产的第三代半导体芯片和器件在市场上份额还很低。

“资本对于第三代半导体材料的发展前景十分认同，投资兴趣很高，都在积极关注产业化的发展。”耿博告诉《经济》记者，不少投资机构已经成立专业团队来研究该领域的投资，并计划在该领域建立专业投资资金，部分原来做硅材料分立器件的上市公司也在积极布局这个产业。

耿博指出，从客观来看，目前国内的基础还在起步阶段，具有明显投资价值的标的还比较少，大部分资本尚处于观望状态。目前，真正介入第三代半导体材料产业的资本是对半导体行业有专注背景和研究能力的机构，如国家集成电路产业基金、国家电网、中车、华为等。再如，2016年5月，三安光电和国家集成电路产业投资基金（简称“大基金”）成立了安芯产业投资基金，首期募集75.1亿元，专注于投资集成电路领域。

“目前资本对第三代半导体关注度虽高，但真正投入进去还需要一个熟悉的过程。这也是资本与技术同步发展的过程。”孙永健表示，新公司建立初期，应该从产业的短板切入，不仅企业发展有空间，投资方也可以获得较高的回报。

耿博建议，若要赢得更多资本的关注，第三代半导体还需继续完善产业环境，形成一大批有价值的创新团队和项目，使资本和技术、团队、产业实现更好的结合，共同创造更多的经济和社会价值。

尽管资本火热，盛况更希望资本做投资时能够平衡长期战略投资、国家和行业责任担当、投资回报和理性投资等三方面因素。

产业发展重视三件事

“未来第三代半导体材料产业，我们要重视三件事。”盛况对记者说。

一是对第三代半导体材料要更加重视。材料可能是我国发展这个行业的基础，然而，由于我国在这方面的技术和产业水平和国外相比有较大的差距，将成为我国第三代半导体材料及其应用行业的主要瓶颈。因此，我国的材料发展要进一步加快。

二是希望产业链各个环节之间的沟通和合作要进一步加强，寻找材料-芯片-封装-装备-系统这一系列产业环节之间一起合作的新模式，形成利益共同体，在相应联盟的协调和支持下，通力合作，一起把产业链打造得更通畅，提高产业水平。

“从国家战略角度来说，并不提倡靠企业扩产去扩大市场规模。”林雨告诉记者，从产业发展形势来看，建议采用IDM模式打造一个平台，即将设计-封装-制造-应用全都融为一体，形成一个完整的产业链。这也是国家基金正在推广的模式。

三是希望充分发挥我国在大型市场方面的独特优势，更好地利用市场的拉动和引领的作用，加强对第三代半导体材料和器件等上游产业的扶持，帮助上游产业的快速成长。只有这样，整个产业链才能更加坚强，我国的第三代半导体材料产业才有机会达到甚至超越国际领先水平。

现阶段，行业发展最紧缺的是人才。盛况建议，国家应该张开怀抱，大力引进第三代半导体行业在国外的相关人才。同时，大力扶持、培养国内高端、中端人才。

对该行业的科研和产业工作者而言，大家正面临一个几十年难遇的机遇。盛况表示，行业里的各类人才应该抓住这个机会，以民族技术和产业振兴为己任，乘着我国实现中华民族伟大复兴的大浪潮，在第三代半导体材料产业迅速发展的小浪潮里，更好地实现自身价值。