近年來，國內(nèi)一些從事LED化合物半導(dǎo)體的大廠都開始轉(zhuǎn)戰(zhàn)第三代半導(dǎo)體，皆欲探索“直道超車”。
華為旗下哈勃投資的一個重點(diǎn)就是第三代半導(dǎo)體，在所投30家芯片公司中，第三代半導(dǎo)體就占了9家，其中多家是碳化硅（SiC）重點(diǎn)企業(yè)，如山東天岳、天科合達(dá)、瀚天天成和天域半導(dǎo)體。
伴隨SiC進(jìn)入新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈、氮化鎵（GaN）快充應(yīng)用的規(guī)模化成功，第三代半導(dǎo)體逐步進(jìn)入消費(fèi)和工業(yè)領(lǐng)域。
事實(shí)上，第三代半導(dǎo)體就像是一棵樹，樹長結(jié)著不同的蘋果，有的正在成熟，有的還在生長，還有的剛剛萌發(fā)。“一個還沒有紅透的蘋果是半導(dǎo)體照明，后面還跟著一串串果實(shí)，”這是第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟理事長吳玲對以碳化硅、氮化鎵為代表的第三代半導(dǎo)體的形象比喻。
在分享第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢，以及我國未來發(fā)展戰(zhàn)略和路徑模式時她表示，綠色、低碳、萬物互聯(lián)已經(jīng)成為全球新一輪科技和產(chǎn)業(yè)變革，將顛覆性影響人類社會的發(fā)展，改變生產(chǎn)、生活、思維方式。在這一進(jìn)程中，第三代半導(dǎo)體將扮演不可替代的角色。而這棵樹本身也需要陽光、雨露和土壤，才能健康成長，結(jié)出豐碩的果實(shí)。
開始成熟的果實(shí)
第三代半導(dǎo)體的典型五高特征：高光效、高功率、高電壓、高頻率和高溫度，吳玲這樣概括。最近還有專家提出了全光譜、抗輻照等特征。可見，第三代半導(dǎo)體材料性能在不斷提升，功能在不斷拓展，有助于支撐我們國家的雙碳目標(biāo)。
響應(yīng)中國的2030年“碳達(dá)峰”與2060年“碳中和”，國家電網(wǎng)公司提出建立以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，到2050年實(shí)現(xiàn)“兩個50%”，這需要大量的功率器件，特別是特高壓柔性輸變電，硅肯定是達(dá)到極限了，而碳化硅是目前已知唯一能夠承受萬伏千安的半導(dǎo)體材料。
高鐵的典型的大功率應(yīng)用 她指出，未來節(jié)能的潛力非常巨大，首當(dāng)其沖的是新能源汽車芯片，尤其是功率芯片，所以，實(shí)現(xiàn)節(jié)能不僅是能源、交通，新能源汽車的升級換代發(fā)展速度非常快。5G的到來，硅也用到了極限，而氮化鎵是目前唯一同時能夠?qū)崿F(xiàn)高頻、高效和大功率的材料，特別是有典型的軍民融合案例，將近20年的軍工研發(fā)成果已經(jīng)轉(zhuǎn)到5G應(yīng)用。 SiC和GaN在汽車上的應(yīng)用 以碳化硅、氮化鎵為代表的第三代半導(dǎo)體就像一棵樹，應(yīng)用面非常廣。不僅在光電子領(lǐng)域有一個還沒有紅透的蘋果——半導(dǎo)體照明，它今年有可能達(dá)到8000億元產(chǎn)值；微波射頻，還有電力電子，三大支撐將應(yīng)對能源環(huán)境的挑戰(zhàn)，推進(jìn)新一代信息技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展，特別是制造業(yè)的升級。 現(xiàn)狀是，從這棵樹的三大枝杈來看，光電子領(lǐng)域的半導(dǎo)體照明已經(jīng)見到成效，國家科技部2003年啟動了國家半導(dǎo)體照明工程。18年來，從技術(shù)追趕、并行，到現(xiàn)在部分領(lǐng)先，全產(chǎn)業(yè)鏈尤其是高端裝備和一些配套材料已經(jīng)自主可控，芯片的國產(chǎn)率達(dá)到80%。 第三代半導(dǎo)體果實(shí)累累 小荷才露尖尖角 吳玲表示，在第三代半導(dǎo)體的五高全光譜中，8000億產(chǎn)值的光電領(lǐng)域創(chuàng)新只是一個藍(lán)光的突破。現(xiàn)在正向長波長和短波長快速發(fā)展，如深紫外光不僅可用于紫外固化等，對新冠病毒也有一定效果，北京將要舉辦的冬奧會目前也有一些應(yīng)用，冬奧場館內(nèi)將大量使用手持安檢儀消毒，以減小場內(nèi)交叉感染風(fēng)險(xiǎn)。從半導(dǎo)體照明光效提升到目前的超越照明，應(yīng)用面非常廣，尤其是光生物、光遺傳、光健康、光治療等，甚至是光農(nóng)業(yè)，發(fā)展速度很快。 光電器件也在從標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)向小間距，甚至未來的micro LED方向發(fā)展，開啟了高度集成半導(dǎo)體信息顯示技術(shù)的新變革。在12月初的國際第三代半導(dǎo)體論壇暨中國國際半導(dǎo)體照明論壇上，京東方董事長陳炎順說：“原來以為液晶市場到了一個節(jié)點(diǎn)，OLED將會有占有一定的份額。但是沒想到mini LED的出現(xiàn)，讓液晶面板壽命又延長了。”所以，未來下一代顯示技術(shù)到底是幾分天下，還有待驗(yàn)證，但至少mini LED、micro LED和OLED將是三分天下。 在微波射頻方面，中國部分技術(shù)已經(jīng)達(dá)到國際先進(jìn)水平，從2015年啟動第三代半導(dǎo)體就在推動軍轉(zhuǎn)民。2019年，華為、中興通訊已買不到芯片，開始用國產(chǎn)替代，到2020年，應(yīng)該已經(jīng)超過了20%。2023年，中國將進(jìn)入毫米波頻段的商用，6G現(xiàn)在也已經(jīng)啟動了預(yù)研。 從“十二五”開始到現(xiàn)在，碳化硅、氮化鎵等功率半導(dǎo)體材料和器件都實(shí)現(xiàn)了從無到有，但還沒有做到能用、好用。目前國內(nèi)還是以四英寸碳化硅襯底為主，六英寸僅是小批量供貨，而國外八英寸已經(jīng)出來了，六英寸是主流。關(guān)鍵問題是我國車規(guī)級、電網(wǎng)級器件目前還是全部依賴進(jìn)口，所以電力電子應(yīng)用方向市場非常大，滲透率將非常快。現(xiàn)在中低壓硅基氮化鎵快充已經(jīng)成為網(wǎng)紅，從消費(fèi)到工業(yè)級，未來功率器件的復(fù)合成長率將超過50%，發(fā)展速度非常快。 在電力電子方向，新能源汽車是主要驅(qū)動力，我國新能源汽車發(fā)展速度非常快，原來沒有想到今年汽車銷量達(dá)到了三百多萬輛，明年滲透率就將達(dá)到35%。也曾有新能源汽車的老總在問，國產(chǎn)器件兩年內(nèi)上車怎么樣？但汽車認(rèn)證過去需要五年，現(xiàn)在也得三年。他卻說：“現(xiàn)在汽車架構(gòu)、總成架構(gòu)都在變，認(rèn)證有可能就一年，因?yàn)楹芏嗄Ｊ桨l(fā)生了變化。”所以，“十三五”提出汽車領(lǐng)域主要是充電樁示范應(yīng)用，現(xiàn)在看有點(diǎn)保守了。“十四五”期間，尤其是未來2-3年，汽車功率器件應(yīng)用將提速，隨著巨大的市場需求，2023年國產(chǎn)碳化硅有望進(jìn)入汽車的電機(jī)驅(qū)動控制器。 產(chǎn)業(yè)格局初長成 吳玲指出，第三代半導(dǎo)體的典型特征不僅是性能提升和功能拓展，一些典型需求更會促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。雖然有一些高端原材料、核心裝備仍然還在卡脖子，但是它沒像集成電路那種嚴(yán)重，有望擺脫對國外的依賴。 目前，國內(nèi)第三代半導(dǎo)體從材料、襯底、芯片、器件、模塊到應(yīng)用，鏈條基本裝備齊全，也已有一些產(chǎn)品。像技術(shù)難度比較高的MOSFET現(xiàn)在也有三條線，并有樣品出來。從布局上看，研發(fā)主要集中在京津冀，半導(dǎo)體基礎(chǔ)主要在長三角，粵港澳大灣區(qū)應(yīng)用非常集中，創(chuàng)新鏈條比較完整。 從最新的情況看，第三代半導(dǎo)體沿途下蛋，已在全國鋪開，但一定也會迎來第一波洗牌。從半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)18年的歷程看，主要是圍繞產(chǎn)業(yè)鏈構(gòu)建創(chuàng)新鏈，打通應(yīng)用鏈條，通過一些示范應(yīng)用解決共性關(guān)鍵技術(shù)；另外是和資本聯(lián)動，形成發(fā)展合力。因?yàn)長ED門檻不太高，95%都是比較小的民營企業(yè)，所以大家容易抱團(tuán)兒。 第三代半導(dǎo)體的發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)更大，機(jī)遇也前所未有。前不久，在北京亦莊，對01、02集成電路專項(xiàng)評估時，很多專家認(rèn)為：第一代、第二代、第三代半導(dǎo)體雖然不是替代關(guān)系，但集成電路仍然是支撐經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和保障國家安全的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性和先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)，需要努力追趕。大家認(rèn)為要考慮理性追趕，而且要在后摩爾技術(shù)來臨前超前布局，包括材料和一些低維的二維拓?fù)涞取?/p> 面對以第三代半導(dǎo)體為代表化合物半導(dǎo)體超越摩爾定律的機(jī)會，最重要的是國內(nèi)有巨大的需求，如信息、能源、交通市場。市場在中國，技術(shù)只要能夠自主可控，有部分優(yōu)勢，就可以形成在全球產(chǎn)業(yè)的落腳點(diǎn)，也就是說用產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略推進(jìn)技術(shù)戰(zhàn)略，重塑全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)競爭新格局。將來和美國談判時，也有能拿到桌子上的東西。 第三代半導(dǎo)體賽道機(jī)會千載難逢 面對中美貿(mào)易戰(zhàn)影響和國外功率半導(dǎo)體廠商的強(qiáng)勢，為保障產(chǎn)品供應(yīng)不受限制，華為在加大對國內(nèi)功率半導(dǎo)體產(chǎn)品采購量的同時，已涉足功率半導(dǎo)體領(lǐng)域，進(jìn)入了自主研發(fā)的賽道。如華為90后專家所說：“能夠遇上有可能還要火20年甚至30年的技術(shù)賽道是一生的榮幸。” 作為第三代半導(dǎo)體全球最大的市場，我國的能源、高鐵、新能源汽車、5G，特別是工業(yè)用電端和消費(fèi)類電子等正在驅(qū)動技術(shù)的快速發(fā)展。而國內(nèi)第三代半導(dǎo)體技術(shù)和國際上的差距并不很大，已經(jīng)有近20年的儲備，包括LED到軍工射頻；而且國際巨頭在專利標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)模方面并沒有形成壟斷，所以中國有機(jī)會在一些細(xì)分賽道上自主可控。 關(guān)鍵在于，與集成電路相比，第三代半導(dǎo)體的工藝尺寸、線寬、設(shè)計(jì)復(fù)雜度、裝備精密度的門檻相對較低，投資規(guī)模也就是集成電路的十分之一。它原來只是集成電路中的特殊工藝，所以沒有那么多卡脖子問題，所以是千載難逢的機(jī)會。 畢竟也是半導(dǎo)體，有著戰(zhàn)略性和市場性的雙重特征，第三代半導(dǎo)體的問題是后進(jìn)入者追趕難度很大。除了LED外，電力電子、微波射頻進(jìn)入供應(yīng)鏈的難度都不小，例如上汽車、上高鐵的難度還是比較大，尤其是現(xiàn)在逆全球化的國際環(huán)境對國際合作有很多障礙。 從創(chuàng)新鏈和產(chǎn)業(yè)鏈存在的問題看，第三代半導(dǎo)體最重要還是材料缺陷，如何把材料做好，包括單晶生長的工藝控制、成品率等非常關(guān)鍵。國內(nèi)的芯片工藝仍然不夠成熟，存在代差，應(yīng)用迭代也比較慢；跟隨均多，缺乏原創(chuàng)，應(yīng)用技術(shù)開發(fā)不夠，特別是從系統(tǒng)角度提出和解決器件、材料技術(shù)上的問題做的遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。此外，第三代半導(dǎo)體裝備進(jìn)口和各層次人才規(guī)模性缺乏。生態(tài)方面最大的問題是弱小散，鏈條沒有打通，缺乏能夠真正支撐工程化、產(chǎn)業(yè)化、國際化的開放平臺。 必由之路：示范→產(chǎn)業(yè)鏈→迭代→落地 針對半導(dǎo)體戰(zhàn)略性和市場性的雙重特征，吳玲提出了幾點(diǎn)建議：中國有兩大優(yōu)勢——體制優(yōu)勢和市場優(yōu)勢；問題在于科技形不成合力。在舉國體制下，需要對體系和生態(tài)進(jìn)行持續(xù)穩(wěn)定的投入，在細(xì)分鏈條上能夠產(chǎn)學(xué)研、上下游真正形成創(chuàng)新共同體，讓行業(yè)抱團(tuán)發(fā)展。 還是以LED發(fā)展為例，當(dāng)時搞了一個國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，有17家企業(yè)參與其中，共享一些工藝標(biāo)準(zhǔn)和專利。當(dāng)年的半導(dǎo)體照明有一個“十城萬盞”示范應(yīng)用工程，對打通產(chǎn)業(yè)鏈、不斷迭代研發(fā)非常重要。 第三代半導(dǎo)體已嘗試了幾年，最近這一兩個月可能會有點(diǎn)兒眉目。科技部已經(jīng)對國家技術(shù)創(chuàng)新中心建設(shè)和運(yùn)行批文，粵港澳大灣區(qū)是主平臺，中電科、華為、比亞迪等均參與其中。 她建議，國家的研發(fā)計(jì)劃，特別是國家重大工程能夠長期穩(wěn)定持續(xù)投入，形成對大中小企業(yè)融通發(fā)展的開放平臺，支撐國際競爭力。在等待批復(fù)的國家科技“十四五”規(guī)劃中，提出了“百城億芯”示范工程，主要針對第三代半導(dǎo)體的綠色系——電力電子，還有健康系——與人民群眾生活健康息息相關(guān)的光電提出了規(guī)劃，有望很快落地。 她最后強(qiáng)調(diào)，科技和金融兩個輪子的結(jié)合非常重要。國家的科研投入是財(cái)政撥款，怎樣能夠讓社會力量參與研發(fā)投入，政策和資本不可或缺。第三代半導(dǎo)體的發(fā)展需要打造科技、金融鏈網(wǎng)的合作模式。 第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)就像這棵樹，需要陽光、雨露和土壤。健康的產(chǎn)業(yè)生態(tài)、政產(chǎn)學(xué)研用上下游緊密合作，將有助于第三代半導(dǎo)體在綠色低碳可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮更大作用。
