中国第三代半导体技术发展瓶颈与对策建议

■文/孙云杰 胡月 袁立科（中国科学技术发展战略研究院）

近年来，随着全球贸易摩擦持续加剧，半导体作为信息产业的基石成为各国竞争的焦点。2022年8月，美国发布《芯片与科学法案》，投资半导体产业发展，重振制造业。相较于第一代和第二代半导体材料，以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）为代表的第三代半导体材料因其高频、耐高压、耐高温、抗辐射能力强等优越性能，在培育战略性新兴产业、带动高技术产业发展、保障国计民生和国防安全等方面具有重要作用。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》明确提出要在“集成电路”领域发展“碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体”。当前，第三代半导体技术处于产业爆发前的“抢跑”阶段，有望成为中国半导体产业的突围先锋。

一、中国第三代半导体技术发展阶段研判与趋势分析

第三代半导体材料主要应用于功率电子、微波射频和光电子等，是支撑下一代移动通信、新能源汽车、高速列车、能源互联网、国防军工等产业自主创新和转型升级的重点核心材料。

（一）中国第三代半导体技术处于跟跑阶段

中国半导体产业起步于20世纪50年代，与日韩发展半导体的时间相近。然而，经过几十年的发展，中国半导体行业被美国和日本拉开较大差距。根据美国半导体行业协会（SIA）数据，近20年来，美国半导体公司长期占据全球最大的市场份额，2021年达46%，韩国为21%，日本为9%，中国大陆仅为7%。相比于第一代、第二代半导体而言，中国与主要国家同处于第三代半导体技术产业爆发初期，正面临逆势翻盘的良好时机。

中国第三代半导体材料在国际上还处于跟跑阶段，与美国等技术领先国家存在一定差距。从全球产业链来看，第三代半导体材料、芯片、装备等已从研发阶段发展到规模化量产阶段，吸引全球资本加速涌入。相比而言，国内第三代半导体技术大部分处于研发阶段，正在朝产业化应用方向发展。根据大为innojoy专利检索系统统计数据，截至2021年10月，全球涉及第三代半导体材料GaN和SiC的相关专利共计23 738项，其中中国专利5232项、美国专利2772项。中国第三代半导体技术相关专利前10位的专利申请主体中，60%为高校及科研院所，前三位为西安电子科技大学（214项）、华灿光电（212项）和中国科学院半导体研究所（207项）。美国前10位专利申请主体中的80%为企业，前三位为克里公司（299项）、通用电气（132项）以及国际商业机器公司（111项）。可见，国内外在第三代半导体方面的研究存在差异性，美国等发达国家在该领域的研发主要集中在企业，研发成果更贴近市场，具有市场竞争力；国内的研发主要集中在高校及科研院所，产业化应用方面还相对欠缺。

（二）中国第三代半导体技术主要环节与国外的差距

在衬底方面，中国与国际领先水平存在三年以上差距。中国SiC衬底以4英寸为主，逐步向6英寸过渡；国外以6英寸为主，开始研发和生产8英寸（见表1）。从市场来看，美国Wolfspeed的SiC晶圆产量占据全球60%以上，日本和欧洲紧随其后。GaN单晶衬底价格昂贵，主要用于光电子器件中的激光器，中国苏州纳维科技是国际上少有的几家能够批量生产2英寸GaN的企业之一。

表1 第三代半导体核心技术掌握程度比较

在外延方面，中国与国际领先水平差距正在缩小，国内已有企业供应6～8英寸外延，但生产质量需进一步提升。欧洲在SiC外延片方面优势较大，典型的公司包括瑞典的Norstel、德国的英飞凌和瑞士的意法半导体。东莞天域和瀚天天成均能够供应3英寸至6英寸的SiC外延，国内企业已可以批量生产8英寸硅基GaN外延片。

在器件制造方面，中国专利储备与国际领先水平的差距较小。相比SiC，中国在GaN器件领域的发展更为迅速。GaN基FET器件相关专利全球共有2万多件，其中美国占31.1%，日本占22.2%，中国占21.0%。美国Wolfspeed、中国台湾地区的台积电和西安电子科技大学在该领域有一定优势。Micro LED相关专利全球共有2500多件，其中中国占40.8%，美国占25.7%，日本占6.1%。Micro LED全球专利主要申请人排名中，国外Facebook和苹果公司分列第一、第二，国内京东方、歌尔股份、三安光电等名列前茅。

（三）中国第三代半导体技术发展趋势

第三代半导体技术的发展对于促进社会节能减排、实现“碳中和”目标具有重要意义。北京顺义、山东济南和深圳坪山均出台了相关政策，支持第三代半导体产业发展，形成了国内第三代半导体产业发展三大集聚区。同时，中国也具备了较好的第三代半导体技术研发基础，形成部分知识产权优势。当前，国外第三代半导体技术尚未形成专利、标准和规模的完全垄断，中国在市场和应用领域具有显著的战略优势，可以通过自主创新，在不久的将来实现完全自主知识产权。

近年来，第三代半导体材料体系也在不断发展，除碳化硅和氮化镓以外，金刚石、氧化镓、氮化硼等超宽禁带半导体材料也在逐渐步入应用视野，二维氮化镓等二维材料也备受关注。面对新时代、新环境、新需求，第三代半导体材料所具有的独特性，有望能突破传统半导体技术瓶颈，支撑5G通信、国防军工、新能源汽车和新能源光伏等领域的发展，对经济社会发展发挥重要的推动作用。

二、中国第三代半导体技术发展面临的瓶颈

第三代半导体技术涉及材料、能源、交通、信息、装备、自动化等多个领域，从基础研究到工程化应用的创新链较长。目前，中国第三代半导体技术在原始创新、制造技术、工程化、产业化等方面尚存在发展瓶颈。

（一）顶层设计缺乏，原始创新能力和人才储备均显不足

中国从21世纪初就开始部署第三代半导体领域的研究开发，国家自然科学基金、国家重点研发计划等均启动了相关研究项目，取得一系列研究成果。然而，相较于第三代半导体技术的广阔应用领域，中国第三代半导体技术原始创新能力仍有不足，很多重大科学技术问题亟待解决，如深紫外发光和激光领域第三代半导体的P型掺杂、第三代半导体的点缺陷问题等（张亮亮、李瑞，2021）。从体制机制来看，长期以来，中国对于第三代半导体技术的支持缺乏国家战略层面的顶层设计，相比而言，2022年美国出台的《芯片与科学法案》，制定了详细的半导体领域研发投资规划与人才培养计划，体现了政府支持的系统性和规划性。从研发投入来看，相较于发达国家对于芯片领域长期稳定的支持，中国对于第三代半导体技术的研发重视程度不高，支持力度有限，且存在研发投入不集中、不持续等问题，资金被零散化分配，难以解决基础研究及关键技术短板问题。从人才储备来看，第三代半导体专业人才缺乏也是制约原始创新能力提升的核心要素，中国尚未建立系统的第三代半导体人才培养体系，人才引进也受到国际形势制约。根据《中国集成电路产业人才发展报告》，按2014—2023年复合增长率20%计算，预计到2023年中国集成电路产业规模将达15 484亿元；到2024年，全行业人才需求将达到78.9万人左右，人才缺口21.83万人。

（二）关键生产设备紧缺，制造技术尚未完全成熟

中国半导体领域缺乏关键生产设备的问题长期存在。在芯片生产领域，光刻机是至关重要的生产设备。近年来，美日等发达国家限制对中国出口先进芯片制造设备，实行光刻机封锁。现阶段，中国自主研发的国产技术设备还无法满足产业发展的需要，进一步制约了中国高端芯片的发展。中国第三代半导体核心制造技术尚未完全成熟，稳定性和可靠性是短板，企业生产风险较大。例如，大尺寸晶圆生产线对材料技术和生产技术的要求高，国内大尺寸晶圆制造技术仍处于起步阶段，成本高昂，优良率较低。但国内企业正在大力部署大尺寸晶圆生产线，生产风险加剧的同时，也带来重复建设问题。据统计，截至2020年底国内至少已有8条6英寸SiC晶圆制造生产线，另有约10条在建SiC生产线，有5条4英寸GaN-on-SiC生产线，有5条在建GaN射频产线（刘中正，2019）。

（三）中试平台成本高，工程化技术水平较低

第三代半导体研发和产业化需要昂贵的生产和工艺设备、高等级的洁净环境和先进的测试分析平台，资金投入较大，运行成本高。目前国内进行第三代半导体研发的科研机构和企业多为单兵作战，已有中车时代、世纪金光、全球能源互联网研究院和中国电子科技集团公司第五十五研究所等4条6英寸SiC器件中试线。由于缺乏开放的公共研发、服务及产业化中试平台，很多企业难以进行工程化研发与试验，工程化技术成为突出的短板，导致第三代半导体的研发创新速度较慢。

（四）国产材料和器件难以进入应用供应链，技术产业化能力较弱

第三代半导体下游应用几乎遍及所有用电领域，包括光电子、电力电子和微波射频。国外第三代半导体企业正在推进与终端应用企业强绑定合作，实现产业布局。2019年，意法半导体被雷诺、日产、三菱联盟指定为高能效碳化硅技术合作伙伴，为联盟新一代电动汽车的先进车载充电器（OBC）提供功率电子器件。目前中国第三代半导体材料和器件（如Micro LED）在关键技术上持续突破，但技术产业化和市场应用未能协同发展，标准、检测、认证等方面行业配套不足，国产器件进入应用供应链难度大、周期长，难以通过应用验证进行迭代研发，导致产业化能力提升较慢。

三、中国第三代半导体技术发展相关建议

（一）加大研发支持力度，加强原始创新和核心技术攻关

“十四五”国家重点研发计划已明确将第三代半导体作为重要发展方向，政府层面需按照遵循规律、聚焦重点、目标导向原则，进行统筹安排和长远部署。一是做好顶层设计，从资金、人才、组织等层面进行创新要素整合，坚持全国一盘棋，一体化部署，全链条设计。二是整合科研平台，聚焦第三代半导体材料核心技术开展攻关计划，强化国家自然科学基金委对第三代半导体领域的基础研究支持。三是引导投融资机构、企业共同设立第三代半导体发展专项基金，聚焦行业生产技术瓶颈和市场应用场景需求进行支持。

（二）加速推进人才引进与培育，构建产教融合人才培养体系

当前，破解人才难题是推动我国第三代半导体产业发展的重要任务。一是强化人才引进与培育顶层设计，掌握第三代半导体产业发展所需的人才类别、规模及紧迫程度，强化定向引才和柔性引才，强化企业与国内高校、研究机构的对接，通过大数据等方式提高人才供需匹配精确度。二是加快制定人才教育培养计划，大力推进产教融合、协同育人战略，积极促进产业和高校院所合作，形成产教融合高层次研发人才培养体系。三是优化学科人才培养结构体系和学科布局，聚焦第三代半导体技术，形成面向科技前沿和产业主战场的人才培养格局。

（三）加快产业全链条部署，推动完善产业生态环境

结合第三代半导体技术发展阶段和产业成熟度，加快产业全链条部署，聚焦生产技术薄弱环节，强化产业上下游合作对接，推动产业生态健康发展。一是充分发挥第三代半导体产业技术创新战略联盟和国家第三代半导体技术创新中心的作用，整合企业、高校、科研院所的研发力量，提升生产制造技术水平，解决产业化共性技术问题。二是推动构建从研发、产业化到应用全链条、跨领域、跨地域利益共同体，加强跨地区的上下游产业对接，共同承担风险与分享收益。三是在新能源汽车、移动通信、智能制造、智慧城市等领域，搭建国家级测试验证和生产应用示范平台，推动第三代半导体国产材料和器件示范应用。

（四）加强跨国跨区精准合作，提升国际竞争力

针对目前复杂多变的国际形势，开展精准、个性化、多形式的科技合作。第三代半导体技术主要集中在美国、日本和德国等国家。在当前与美合作受限的形势下，要加强与日本、德国的联系，与有成熟技术的机构、企业和研发团队开展深度合作。大胆探索人才的“双跨”机制，举办全球创新创业大奖赛，开展异地/异国孵化，建立并不断完善双向基金联合投入等国际化合作新模式。