第3代半导体产业发展现状、特点及建议

蔡永香

在如今的信息时代，半导体产业的重要性愈发凸显。半导体产业不仅是传统产业智能化升级的基础支撑，同时也是推动新兴技术与产业发展的关键所在。半导体材料是制作半导体器件和集成电路的电子材料，是半导体工业的基础，在半导体产业中扮演了举足轻重的角色，“半导体材料的水平是衡量一个国家精细化工产业水平的重要标志”，这一说法不无道理。

1 概述

在以硅（Si）为代表的第1代半导体材料、以砷化镓为代表的第2代半导体材料得到广泛应用之后，当下第3代半导体材料开始活跃在时代的舞台。第3代半导体材料，主要指以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、氮化铝（AlN）、氧化锌（ZnO）、氧化镓（Ga2O3）和金刚石为代表的宽禁带半导体材料，是支撑信息、能源、交通、国防等产业发展的重点新材料，被认为是对未来综合国力、国防安全具有重大影响的战略技术。从第3代半导体材料和器件的研究与应用情况来看，当前材料和应用技术发展最快的是SiC和GaN半导体材料，而目前对ZnO、金刚石和AlN等的研究仅限于对材料的制备技术的研究。

SiC和GaN半导体材料主要应用为半导体照明器件（LED）、电力电子器件、射频功率器件、激光器和探测器等4大器件，其中半导体照明产业发展最为迅速，已形成百亿美元的产业规模。电力电子器件是第3代半导体应用市场迅速增长的行业。GaN射频器件是第3代半导体最早应用的领域，目前是5G基站建的重要射频器件。在激光器和探测器应用领域，GaN基激光器可以覆盖到很宽的频谱范围，实现蓝、绿、紫外激光器和紫外探测器的制造。

2 第3代半导体战略布局

2.1 国外战略布局

从国际竞争角度看，欧、美、日等发达国家将第3代半导体列入国家战略规划，国际重要半导体企业作为第3代半导体技术及产业发展的创新主体，已进入全面抢占技术和产业战略制高点阶段。

美国2014年初成立“下一代功率电子技术国家制造业创新中心”，中心由北卡罗来纳州立大学领导，协同阿西布朗勃法瑞（ABB）集团、科锐（Cree）公司、威讯联合半导体（RFMD）公司等超过25家知名公司、大学及政府机构进行全产业链合作，计划通过加强第3代半导体技术的研发和产业化，使美国占领下一代功率电子产业。值得注意的是，目前美国已经不再批准境外资本对美国半导体企业的并购，目的就是杜绝技术外流，使美国始终保持对世界半导体技术的领先地位强制设置壁垒。最典型的案例是2017年2月，美国政府外来投资审查委员会（CFIUS）强制终止了德国的英飞凌（Infineon）科技股份公司对美国Cree公司（旗下WolfSpeed）的收购案，理由是“收购案将对美国国家安全造成风险”。

日本2013年就将SiC纳入“首相战略”，认为未来50%节能要通过它来实现，并也建立“下一代功率半导体封装技术开发联盟”，由大阪大学牵头，协同罗姆（Rohm）半导体集团、三菱电机（Mitsubishi Electric）株式会社、松下电器（Panasonic）产业株式会社等18家从事SiC和GaN材料、器件、应用技术开发及产业化的企业、大学和研究中心。

欧洲2010年启动产学研项目“LASTPOWER”，由意法半导体（ST）公司牵头，协同企业、大学和公共研究中心，联合攻关第3代半导体关键技术。2014年，欧盟委员会（EU）推出“用于节能设备的碳化硅电力电子技术的“SPEED计划”，该计划作为欧盟第七框架计划（EU FP7）的内容之一。

2.2 我国战略布局

近几年，我国从中央到地方先后出台多项关于第3代半导体产业发展的利好政策与规划。2016年，国家重点研发专项——战略性先进电子材料专项中，第3代半导体作为最主要的部分，已连续3年设立研发项目，以期推动我国第3代半导体技术与产业的快速发展。

2.2.1 国家层面

2015年5月8日，国务院印发了《中国制造2025》战略规划，提出了发展第3代半导体材料的任务要求，从材料、器件、模块和应用等制定了发展目标：2025年实现在5G移动通讯、高效能源管理中国产化率达到50%；在新能源汽车、消费类电子领域实现规模应用，在通用照明市场渗透率达到80%。2016-2017年，在国务院、国家发展和改革委员会、工业和信息化部、科学技术部（以下简称“科技部”）等部门相继出台《“十三五”国家科技创新规划》《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》等7项重要规划中，均布局了第3代半导体相关内容。

2015年，科技部启动了“十三五”《国家重点研发计划》，其中“战略性先进电子材料”专项对第3代半导体技术进行重点部署，从产业发展实际需求和进程出发，研发内容覆盖了材料、器件研发，到对新能源汽车应用、电网应用前沿研究全链条。“十四五”国家重点研发计划启动实施 2021年“新型显示与战略性电子材料”重点专项，第3代半导体仍被作为重要方向进行科技布局。2021年3月，科技部正式批复支持深圳市政府、江苏省政府共同建设建设国家第3代半导体技术创新中心，4月19日，苏州举行国家第3代半导体技术创新中心的揭牌仪式；6月21日，国家第3代半导体技术创新中心（南京）揭牌，深圳、苏州、南京3个国家级第3代半导体技术创新中心相继成立。

2.2.2 地方层面

2016-2021年，北京、深圳、广东、福建、江苏、浙江、湖南等省市政府先后出台相关政策（不包括LED），第3代半导体技术和产业发展均被纳入地方“十三五”相关领域规划内容。各地区依托当地优势研究机构和企业，通过推进技术成果转化、资本投资等多种形式，推动第3代半导体产业发展，抢占市场先机。目前，全国形成京津冀地区、长三角地区、珠三角地区、福厦泉地区为主的产业集聚区。

京津冀地区，形成以北京為中心的SiC产业集聚区，覆盖产业链上下游，并与位于天津的中国电子科技集团公司第四十六研究所、位于石家庄的中国电子科技集团公司第十三研究所（以下简称“中电科13所”）以及位保定的于河北同光晶体有限公司（以下简称“同光晶体”）等企业构建了良好合作关系。长三角地区，形成以苏州为核心的GaN产业集聚，拥有苏州能讯高能半导体有限公司（以下简称“苏州能讯”）、苏州晶湛半导体有限公司（以下简称“苏州晶湛”）、江苏能华微电子科技发展有限公司（以下简称“江苏能华”）、苏州纳维科技有限公司（以下简称“苏州纳维”）等众多企业。珠三角地区，以东莞为中心聚集了东莞天域半导体科技有限公司（以下简称“东莞天域”）、东莞中镓半导体科技有限公司（以下简称“东莞中镓”）、比亚迪等SiC企业。福厦泉地区，是第3代半导体产业的新兴聚集区，厦门聚集的企业有瀚天天成电子科技（厦门）有限公司（以下简称“瀚天天成”）、三安光电公司、华天恒芯半导体（厦门）有限公司、芯光润泽有限公司等。

3 第3代半导体技术及产业现状

3.1 SiC技术及产业现状

SiC单晶衬底方面，4～6英寸SiC单晶衬底是市场主流。国际上，Cree和贰陆（II—VI）公司率先突破6英寸SiC单晶的产业化技术，并实现了批量的销售；8英寸SiC单晶底已完成实验室研发，其中Cree公司单晶质量最好，代表了SiC单晶衬底行业的最高水平。我国北京天科合达半导体股份有限公司（以下简称“天科合达”）、山东天岳先进材料科技有限公司（以下简称“山东天岳”）均已具备批量生产4英寸SiC单晶衬底的能力，并研制出6英寸SiC单晶衬底。国内企业的4英寸SiC单晶衬底微管密度可控制在1个/cm2，最低可到达0.1个/cm2，6英寸微管密度可以控制在10个/cm2以下，不过国产SiC衬底仍存在单晶性能一致性差、成品率低、成本高等问题，国产高性能衬底自给率仍然较低，占全球的市场份额不到5%。

在SiC外延片方面，由于外延片厚度与器件种类和承受电压密切相关，外延层厚度每增加1μm，耐压增加10V。目前国际上具备供应200μm SiC外延晶片的企业仅有美国Cree、DOW Corning、Ⅱ—Ⅵ和日本昭和电工。我国具备批量制备并销售外延片的企业仅有瀚天天成、东莞天域，均已成功批量生产4～6英寸SiC外延片，生长速率为80～100μm/h，100μmSiC外延片缺陷密度已经能够达到0.5/cm2。但是，与国际水平相比，我国厚膜外延片的质量仍存在较大差距。

在SiC电力电子器件方面，全球有超过30家公司具有SiC电力电子器件及相关产品的生产、设计、制造和销售能力，最具代表性的企业是美国Cree、德国Infineon、日本Rohm。我国开展SiC器件布局的企业有泰科天润半导体科技（北京）有限公司（以下简称“泰科天润”）、中车时代电气、中国电子科技集团公司第五十五研究所（以下简称“中电科55所”）、中电科13所、全球能源互联网研究院等，国内已具备600～3300V的SiC SBD批量制备能力，并部分形成销售1 200～1 700V的SiC MOSFET器件尚不具备产业化能力。

总体来讲，全球SiC产业格局呈现美国、欧洲、日本三足鼎立态势。其中美国全球独大，全球SiC材料产量的70%～80%来自美国公司；欧洲拥有完整的SiC衬底、外延、器件以及应用产业链；日本在SiC模块和应用开发方面绝对领先。我国已具备完整的SiC产业链，SiC相关企业已逐步进入国际市场竞争行列。

3.2 GaN技术及产业现状

在GaN單晶衬底方面，GaN无法通过从熔融液相中结晶的方法生长单晶，只有采用异质外延法制备较厚GaN单晶薄膜。日本住友电气工业株式会社（以下简称“住友电工”）、古河机械和法国Lumilog公司采用HVPE法实现了4英寸GaN单晶衬底小批量制备，其中住友电工成功研制了6英寸GaN单晶衬底，引领技术发展。我国苏州纳维20μm厚度2英寸GaN衬底片年产能已达到1 500片，4英寸衬底已推出产品，目前正在开展6英寸衬底片研发。东莞中镓已经对外供货330μm、430μm两种厚度的2英寸GaN衬底产品，并已开发出4英寸GaN衬底样品，具备能小批量生产能力。

在GaN外延材料方面，主要是基于蓝宝石、Si、SiC等衬底上异质外延生长的GaN外延材料。其中，蓝宝石基GaN外延主要用于LED制备，是GaN异质外延最成熟的技术；SiC基GaN外延主要用于射频器件和高功率LED，其外延片已实现产业化，产品主流尺寸为4～6英寸；Si基GaN外延技术发展最晚，是中低压电力电子器件和LED低成本化重要支撑，成为当前GaN异质外延技术发展的重要方向。目前，美国Nitronex，德国Azzuro和日本住友化学公司等企业已开始提供制备600V以上电力电子器件的8英寸Si基GaN外延。苏州晶湛是我国第1家批量生产8英寸GaN外延片的企业，英诺赛科（珠海）科技有限公司Si基GaN已建成投产。

在GaN基电力电子器件方面，Si基GaN电力电子器件非常适合高频率、小体积、成本敏感、功率要求低的电源领域。国际上EPC、Transform、GaN system、松下等供应商均可提供200V以下和600/650V的器件产品，日本丰田合成株式会社宣布研制成功1 200V的GaN器件，目前，GaN电力电子器件产业进一步升温，无人机等消费电子电源、数据中心电源、通信电源、电动汽车电源、激光雷达驱动等领域采用GaN器件，市场规模将迎来高速增长。国内苏州能讯、江苏能华、江苏华功半导体有限公司（以下简称“华功半导体”）、杭州士兰集成电路有限公司等企业均已布局GaN电力电子器件，但器件性能与国际先进水平有一定差距。

在GaN基射频器件方面，GaN基射频器件具有输出功率密度大、耐高温、耐辐照等特点，主要用于军用电子装备以及民用通信类基站、无线热点等领域。在民用领域，GaN射频器件被认为是5G移动通信基站的首选技术。目前全球约有超过30家企业从事GaN射频器件的研发生产，其中10家左右已经实现了量产和商业化。国际领先的是美国Cree、QORVO和日本Sumitomo Electric三家公司，住友电工和Cree是行业的龙头企业。国内GaN射频器件制造企业有北京国联万众、苏州能讯、成都海威华芯和中电科13所、中电科55所等，其中部分企业GaN射频器件已用于华为等移动通信基站。

在紫外LED器件方面，欧司朗（Osram）、Cree、日亚（Nichia）等多家美国、日本企业均已推出深紫外波段LED器件的量产，在杀菌消毒、空气净化、食品加工保鲜、国防与安全等领域具有重要应用前景。在GaN激光器方面，Nichia、Osram走在了国际前列，5W以上功率蓝光和1W以上功率绿光激光器已有销售，342nm紫外激光器实现脉冲激射，但尚不能实现应用。在紫外探测器方面，韩国的Genicom公司和日本的Kyosemi公司可以批量供应GaN紫外探测器，其中Genicom公司已经推出了多款GaN紫外探测器的模块化应用产品，主要用于紫外辐射剂量测量和监控。我国可小批量生产2W蓝光和60mW绿光激光器，392nm紫外激光器发光效率达到80mW。在普通非增益GaN紫外探测器方面，国内和国外水平相近，增益型日盲波段AlGaN APD增益可达105，成像面阵规模可以做到256×320以上，但相较国际水平仍有差距。

总体来说，日本主导了国际GaN单晶衬底、异质外延和光电器件技术，并占有GaN单晶衬底绝大部分的市场份额。在GaN射频器件和电力电子器件领域，美、日等半导体企业均开展产业布局，且占有主要市场份额。我国已具备GaN的完整产业链，且半导体照明应用领先国际，但电力电子器件、射频器件方面，尚处于企业布局、产品研发阶段，产品较国际水平尚有一定差距。

4 第3代半导体产业发展特点

4.1 材料仍是制约产业发展关键环节

相较第1代和第2代半导体材料，第3代半导体的材料质量相对较差。Si片尺寸已经能达到12英寸以上，纯净度达到99.999999999%（11个9）以上。GaAs材料经历了60多年的发展，材料质量非常高。然而GaN和SiC材料的杂质浓度和缺陷还都比较高。GaN器件尚且很难实现同质外延生长，需要依托在SiC或Si衬底上。SiC衬底材料尚停留在4英寸，6英寸衬底的质量还不够稳定，价格非常昂贵。材料质量不高和价格高昂成为第3代半导体器件技术和应用发展的阻碍因素之一。

4.2 第3代半导体器件制备有望与Si半导体工艺融合

受第3代半导体材料尺寸和成本限制，第3代半导体器件以4英寸和6英寸为主，部分在硅片上外延的GaN半导体器件尺寸可以达到8英寸。第3代半导体多数面向高电压、高功率的模拟器件或光电子器件，对器件制程工艺节点要求不高，无须使用60nm以下工艺，目前GaN器件以0.15μm以上工艺为主，SiC器件由于主要面向上千伏高压应用，工艺线宽在0.5μm左右。相比于目前主流的12英寸集成电路制造生产线，4英寸和6英寸生产线的建设成本较低，且已被市场淘汰的4～6寸硅半导体器件制备工艺线，可以得到重新利用。

4.3 SiC器件IDM模式为主，GaN器件出现精细分工

第3代半导体领域，SiC器件的企业多以IDM模式为主，如龙头企业美国Cree（Wolfspeed）公司、德国Infineon公司、日本Rohm公司均包括SiC器件设计到SiC模组完整工艺链条，中国泰科天润公司也是如此。但在GaN领域，美国Qorvo、日本住友电工、中国苏州能讯等龙头企业以IDM模式运营，近年来随着GaN产品和市场的多样化，GaN器件IDM企业如荷兰恩智浦（NXP）公司、德国Infineon公司、韩国RFHIC将GaN射频器件委托Cree公司代工，在面向消费电子的GaN电力电子器件方面，美国Transphorm、EPC、Navitas、加拿大GaN Systems、德国Dialog等设计企业也不断涌现。

4.4 国际半导体企业加紧第3代半导体布局

由于第3代半导体具有广阔的市场前景，国际巨头企业纷纷提前布局。一是展开企业并购。电力电子器件龙头企业德国Infineon公司收购美国国际整流器公司（IR），获得了硅基GaN电力电子器件技术；Infineon试图收购美国Cree公司旗下Wolfspeed公司，最终被美国政府以危害国家安全为由予以否决终止；美国安森美24亿美元收购仙童公司获得高压SiC SBD技术；美国ADI半导体公司宣布收购位于美国加利福尼亚州Santa Rosa的OneTree Microdevices公司GaN射频器件技术。二是加大研发和投资建设生产线。在SiC电力电子器件市场，欧洲的Infineon、ST、美国的GE、Wolfspeed、日本的Rohm、三菱等龙头企业均加大研发投入，建设6英寸SiC器件生产线，提前抢占未来市场。

4.5 核心技术对中国实行技术禁运

第3代半导体可用于军事用途，是有源相控阵雷达、毫米波通信设备、激光武器、“航天级”固态探测器、耐超高辐射装置等军事装备中的核心组件，因而受到国际上《瓦森纳安排》的出口管制，中国对外收购相关企业受到美国等国家的严格审查。2016年我国金沙江财团收购美国Lumileds公司、三安光电收购美国GCS公司、宏芯基金收购德国Aixtron公司三起收购案先后被美国外资投资委员会（CFIUS）严格审查并以危害国家安全为由予以否决。

5 我国第3代半导体产业存在问题与未来展望

5.1 发展瓶颈

5.1.1 第3代半导体材料与器件较发达国家仍有差距

近年，在国家和地方政府的支持下，我国第3代半导体材料和器件技术已取得较大突破，成为国际半导体产业不可忽视的力量。但由于我国第3代半导体材料和器件起步较晚，产品品质和一致性、稳定性等方面，仍与发达国家存在一定差距，國产产品的市场占有率不高。

5.1.2 核心专用装备依赖进口

第3代半导体晶片和器件的制备基本工艺流程同硅基半导体基本一致，部分设备可以与硅基半导体工艺兼容，但由于第3代半导体材料熔点较高、硬度较大、热导率较高、键能较强的特殊性质，核心专用设备被美国、德国、日本、乌克兰、意大利半导体设备厂商垄断。国内除SiC晶体生长炉实现自主研发国产化外，相关研究机构和企业所有的其他核心专用装备（如多线切割机、高温氧化炉、高温离子注入机、高温退火炉等）均为进口设备。目前中国电子科技集团、北方华创等设备制造企业进口设备基础上进行仿制，国产化装备的市场验证还需较长时间。

5.1.3 企业亟待提升创新能力和市场竞争力

我国第3代半导体技术和人才主要集中在北京大学、清华大学、中科院等科研机构，我国主要的第3代半导体企业，如天科合达、山东天岳、东莞天域、中镓半导体、苏州纳维、同光晶体、华功半导体等，均是政府和市场推动下，由高校院所通过技术转移转化孵化出的创新型企业。相对于欧、美、日等国际半导体企业在第3代半导体领域进行的长期技术创新和产业布局，我国第3代半导体企业规模小、技术积累时间短、资本不够雄厚，在尚处于培育发展时期的第3代半导体市场竞争中，面临着人才紧缺、技术储备不足、产品市场认可度不高的问题，亟待提升企业创新能力和市场竞争力。

5.2 发展机遇

5.2.1 具有国际最大的第3代半导体应用市场

我国是国际半导体器件应用的大国，同时也是第3代半导体器件的消费大国。就电力电子器件而言，我国是全球最大的高铁和新能源汽车生产和消费大国，也是全球电力电子器件的重要消耗国，占全球电力电子器件市场40%，市场规模约为60亿美元。在射频器件方面，5G通信网络的建设，将大力推动我国GaN射频技术和产业发展。

5.2.2 产品尚处于市场导入期，有望弯道超车

当前，SiC电力电子器件在轨道交通、光伏、电动汽车、白色家电、大数据/云计算中等领域开始示范应用。GaN射频器件也开始在移动通信基站中应用示范，我国主流通信系统公司华为公司、中兴等已开展GaN射频器件应用研究。第3代半导体器件取代Si基器件已取得一定效果。但目前国内外第3代半导体器件均处于产品验证评价阶段，尚未进入大规模推广期。我国第3代半导体企业在国际竞争中已具备一定的优势和基础，有望在政府和市场的推动下实现弯道超车。

5.3 发展建议

5.3.1 持续提升自主创新能力，引领技术和产业发展

在国家战略整体布局下，以国家第3代半导体技术创新中心建设以核心，整合优势区域如北京、深圳、江苏等地创新资源，围绕第3代半导体技术和产业发展瓶颈，持续推进第3代半导体材料、器件以及核心专用装备的前沿技术创新，突破核心技术瓶颈，加快第3代半导体在能源、信息、交通等应用领域的关键共性技术开发，形成自主知识产权群，引领全国第3代半导体产业的自主创新能力提升。重点开发大尺寸、高质量SiC、GaN等衬底材料制备核心技术和关键装备；研发多品种新型结构SiC、GaN器件，满足高效大功率电力电子、信息、光电等领域应用需求；研制满足大功率密度特点封装所需关键材料、技术与装备；发展基于不同应用需求的多尺度系统设计、系统集成技术等。

5.3.2 落實第3代半导体产业政策，加速产业集聚

第3代半导体已处于市场导入的窗口期，各地政府纷纷出台扶持政策，应把握领先优势，加速推动产业集聚发展，在产业集聚区推动产业上下游联动，规划和搭建共性技术平台，降低初创型创新企业风险，提出企业创新能力。依托国家第3代半导体技术创新中心各平台建设，尽快落实符合第3代半导体发展规律的针对性优惠政策，打造第3代半导体领域服务平台，从技术转移、产品研发设计、产业孵化、金融服务及配套服务（产品展示交易、品牌推广、行业培训）等方面入手，优化营商环境，提升企业落地顺义信心，形成产业集聚。

5.3.3 创新利益设计机制，构建全流程价值链

创新利益设计机制，主动引领和服务全国产业发展，带动全国、辐射世界的跨学科、跨行业、跨区域的第3代半导体创新价值链。鼓励第3代半导体领域的科研院所、企业开展高层次、国际化的技术、人才引进以及国际合作，聚集全球优势资源在京建设成第3代半导体的研发、设计、孵化及标准中心，布局第3代半导体专利战略和标准建设；支持有条件的企业联合开拓国际市场、联手参与国际竞争，不断提升我国在第3代半导体领域的国际地位与产业竞争力。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.05.002