第三代半导体材料将掀起一场怎样的技术革命？我国布局第三代半导体产业将会遇到什么问题？有独到见解和实际工作经验的中国工程院院士屠海令对记者表示，第三代半导体应用领域会非常广泛，目前的关键是抢抓机遇，突破技术瓶颈、找准应用方向、有效整合资源。

广泛的基础性和重要的引领性

   本刊记者：第三代半导体材料将成为支撑信息、能源、交通、国防等重点产业发展的重点新材料。请您谈谈我国第三代半导体材料的发展现状和整体趋势。我国为什么要搞第三代半导体？

   屠海令：半导体产业发展先后经历了以硅为代表的第一代半导体材料，以砷化镓为代表的第二代半导体材料和以碳化硅与氮化镓为代表的第三代半导体材料。这三代半导体并不是完全的替代关系，在未来相当长的时期内它们还将并存，并在不同的应用领域发挥各自的作用、占据各自的市场份额。另外，由于第三代半导体的概念太宽泛,目前国际上一般不采用“第三代半导体”这个提法。

   第三代半导体氮化镓、碳化硅在光和电两大领域都有相当好的表现。在发光器件方面，众所周知，白光LED已成为新能源领域的佼佼者。中国对白光LED的产业化作出了重大贡献，2015年中国白光LED及其相关产品的销售额达到4245亿元人民币，创历史新高；其中外延芯片约151亿元人民币，封装约615亿元人民币，下游应用规模达到3479亿元人民币。在电力电子器件方面，碳化硅、氮化镓可以说是一个方兴未艾的研发领域，同时也展现出良好的市场前景。因此，世界各发达国家都十分重视。2014年初，美国奥巴马总统宣布成立“下一代电力电子器件国家制造创新中心”，由北卡罗来纳州立大学领导，协同ABB、Cree、RFMD等超过25家知名公司、大学及政府机构，进行全产业链合作。欧洲也启动了“LASTPOWER”产学研项目，联合攻关碳化硅和氮化镓的关键技术；日本则设立了“下一代功率半导体封装技术开发联盟”。

   面对宽禁带半导体在发光和电力电子领域的应用与产业化，以及国防安全对微波射频器件和激光器、探测器的需求，第三代半导体已经成为我国未来高科技发展的重要方向。其当务之急是加速氮化镓、碳化硅电力电子器件在民用领域，特别是在大数据中心、工业电机、消费电子等方面的应用，抢占下一代功率电子产业的广阔市场，推动新一代信息技术、新能源产业和中国制造2025的快速发展。

   本刊记者：中国在第三代半导体材料产业上进行了哪些战略部署？

   屠海令：中国政府高度重视第三代半导体材料与器件的研发及产业化工作。从本世纪初开始就对第三代半导体领域的研究进行了部署，启动了一系列研发及产业化项目。目前，国内主管部门在这件事情上的总体安排是合理的，也是比较及时的。基本上可以说，这一次是紧跟上了国际发展的步伐。

   科技部原副部长曹健林曾表示，第三代半导体材料是国家研发的重点领域。近两年的国家重点研发专项就包括碳化硅、氮化镓材料和器件等多个项目并加强了投入。这些科技重点专项项目由企业牵头申报，政府和企业按1:2投资共同推进；同时，科研院所和大专院校也领衔了大量课题，承担了很重要的任务，体现了产学研用的合作。

   在自然科学基金方面相应的也列了一些重大项目，如“氮化镓基毫米波器件和材料基础与关键问题研究”等，自然基金主要是从基础方面支持第三代半导体研究。

   在面对2030年材料重大工程专项编制过程中，我主要负责功能材料，对于先进半导体材料，列有碳化硅、氮化镓等材料及其在微波功率和电力电子方面应用的若干个项目，同时也涵盖了氮化镓发光材料与器件和用于激光器、探测器材料的项目，布局了更宽禁带半导体材料如氮化铝等。面向2030年的材料重大工程专项，是针对未来10～15年进行的战略布局。当然，最终还要在材料重大工程专项启动后，由新的机构和专家来确定。

   总之，国家从自然科学基金，科技重点研发专项，到未来重大工程专项，都部署了宽禁带半导体材料的项目。可以说，中国在第三代半导体的基础研究、应用研究、产业化方面均进行了顶层设计，其具体布局也是合理、恰当的；各计划之间注意了协调发展，相信在这次国际发展的浪潮中将会有令人鼓舞的进展。

从应用前景找机遇

   本刊记者：请您分析一下，中国第三代半导体产业面临怎样的发展机遇，还有哪些需要应对的挑战？

   屠海令：宽禁带半导体碳化硅和氮化镓，以其高温下的稳定性、高效的光电转化能力、高频下优良的功率特性和更低的能量损耗等优势，以及学科交叉性强、应用领域广、产业关联性大等特点，可广泛用于国民经济各个领域，是支撑信息、能源、交通、国防等发展的重点新材料。

   当前，我国发展第三代半导体面临的机遇非常好。在中国，无论是消费类电子设备、半导体照明、新能源汽车、风力发电、飞机发动机、新一代移动通信、智能电网、高速轨道交通、大数据中心，还是国防军工领域，导弹、卫星及电子对抗，都对高性能的宽禁带半导体有着极大的期待和需求。无论是从国防安全出发，还是中国经济发展的需要来讲，发展空间都很大，市场前景也很好。

   当然，挑战也很大。应该说我们起步还是晚了点。国内开展氮化镓和碳化硅材料和器件方面的研究工作与国外相比还有差距。第三代半导体是技术支撑力比较强、辐射面比较广、带动面比较大的一个领域，其本身的技术特点决定了它的发展不能封闭，要与多方面的应用相结合。就电力电子器件来讲，我国从整个应用驱动上来说相对较弱。近年来，国内新材料领域的科研院所和相关生产企业都有点急躁，很难容忍长期“只投入，不产出”的现状，有些部门和企业更是急功近利，想尽快出成果、出效益，造成了第三代半导体材料及器件的创新研究、产业化和应用推广工作进展缓慢。

   第三代半导体具有材料器件一体化的特点，其产业化及应用的难度比大家想象的还要大。虽然，我们在政府的研发及工程化项目中强调了企业牵头并配套资金投入，在民间也成立了第三代半导体产业联盟，但仍需集中各方面的团队力量、攻克工程技术瓶颈、拓展系统化应用，下大气力，才能推动第三代半导体电力电子产业有实实在在的进展。

   本刊记者：发展第三代宽禁带半导体的具体路线是什么？

   屠海令：第三代半导体发展需要迈过去几个坎：基础研发、协同创新、系统应用、降低成本与可持续发展等。宽禁带半导体技术水平的高低将直接影响我国信息、能源、交通等产业的未来发展进程。发展宽禁带半导体方面可以按两条线来走：一条线是国防军工。其研究与开发主要是为了满足军事、国防方面的需求，依靠自主研发，实现技术上的突破，先满足国防军工领域的需求，随着在军事尖端装备和安全领域的应用逐步成熟，相当一部分技术也可以通过军民融合逐步向民用领域转移扩展。

   另外一条线就是民用。要进一步加强企业牵头的产业化工作。国内像中车、华为、中兴等企业的兴趣很高，而且自身有应用需求，相信未来可以做得很不错的。然而，氮化镓和碳化硅应用领域广泛，会出现大量中小型科技企业，政府应予以鼓励。对于这一类企业，我们可以参考借鉴国外的成熟经验：第一在研发阶段，大家共同参与，可以申报承担政府研发项目；第二从政府角度，可依法合理设置关税门槛，保护这些中小企业，防止国外企业过早、过份占领本土市场；第三从企业角度，可以采用贷款、上市、股份制、风险投资、基金、融资等多种形式，经营企业，发展市场，搞得好就发展、壮大，搞不好就萎缩、破产倒闭，市场的归市场。

   此外,发展宽禁带半导体，首先要加强应用性研发。宽禁带半导体具有与应用紧密相关的特点，而应用研究是我们的短板。这类研发强调从设计、工艺、材料，到可靠性、成品率、性价比都要与应用对象和系统紧密结合，全面满足各类应用系统的要求。第二，应积极发展科技中介机构，同时加大宣传力度，进行科学引导。规范引导投资人将资金投向有知识产权、有团队、管理规范、市场前景好的公司；避免出现一哄而起、热炒概念、盲目投资、互挖人才、低水平重复建设的现象，造成人财物力的浪费。第三，注重全产业链和产业环境的建设。宽禁带半导体包括材料、器件、工艺、设备、仪器、化学品、系统设计、检验、标准、税收政策、金融环境等，涉及众多产品、企业和政府部门，需要多方配合与协同发展。

     本刊记者：随着技术的逐步成熟和应用市场的启动，我国第三代半导体能否抓住机遇，弯道超车，实现崛起？

     屠海令：虽然国内对氮化镓和碳化硅等宽禁带半导体材料的性质有一定的研究，但在功率器件方面还落后于美国、日本和欧洲。可喜的是，在国家层面已经认识到了相关技术对国防军工和战略新兴产业的价值，并陆续投入科研经费，鼓励相关单位和企业进行技术研究，希望早日实现应用及产业化方面的突破。

   回顾宽禁带半导体发展的历史，上世纪五十年代中期才有碳化硅晶体生长的第一个专利。1987年美国Cree公司建立，到2007年才成功制备直径100毫米的碳化硅零微管衬底，同时推出二极管产品。美欧日等发达国家和地区都把发展碳化硅半导体技术列入国家战略，投入巨资支持发展，因此在技术和应用层面取得了较大的进展。

   氮化镓也是跨世纪期间才得到较快发展。从发光的角度来看，1993年，氮化镓外延蓝光二极管制备成功并量产。1996年白光LED诞生，1998年日本推出“二十一世纪照明计划”，2014年基于“发明了高效GaN基蓝光发光二极管，带来了明亮而节能的白色光源的贡献”，中村修二、赤崎勇和天野浩等三人获诺贝尔物理学奖。LED市场的驱动和高速发展，大大提高了氮化镓材料和器件成熟度，带动了氮化镓材料的产业化进程并广泛应用于全色大屏幕显示器、高亮度LED交通信号、室内照明，以及环境景观灯、指标灯等。

   氮化镓在发光领域发展较好。但在微波射频器件和电力电子器件方面，还存在很多的技术挑战，如材料微缺陷密度、氮化镓欧姆接触、价格成本、工艺稳定性、器件可靠性等问题。美国也是本世纪初才针对雷达和电子对抗的问题进行布局的，目前产品的成熟度也还需要时间检验。此外，碳化硅和氮化镓的民用电力电子产业化发展也刚刚开始。虽然像Cree、Nitronex、Qorvo、NXP、三菱、日立这样一些公司在HEMT器件、MMIC电路以及电力电子器件方面都推出了多种型号产品，但应用领域仍有待推广，目前也还未形成巨大的实际市场。

   分析上述现实情况，可见第三代半导体对我们来说是挑战与机遇并存的领域，我们的研发水平和国际先进水平的差距并不是非常大，但要实现电力电子器件、微波射频器件产业化及大范围应用,面临的挑战仍然不少。虽然国内大专院校、科研院所也曾制备出具有良好技术指标的原型器件，发表过不少高影响因子和引用率的文章，但半导体器件产业化及系统应用一直是我们的软肋，相关的产业链和产业生态环境更是十分薄弱。经验告诉我们，产业化应用太急躁是不现实的。随着国家战略层面支持力度的加大，特别是在节能减排和信息技术方面具备比较好的产业基础和迫切的市场需求，我们有望集中优势力量，协同创新，实现从跟踪模仿到并驾齐驱，进而有可能在部分领域获得领先和比较优势，有机会实现弯道超车，占领领跑地位。同时大力加强向应用和市场方面深度推进，坚持协同作战，有望抢占第三代半导体战略性新兴产业的制高点。

   本刊记者：第三代半导体材料未来几年的驱动力和发展前景会怎样？

   屠海令：中国的市场空间很大、机遇也很好，抓好第三代半导体产业，具有重大的社会经济效益。我在前面已讲过，第三代半导体并不可能全面代替硅；这不但是因为在技术、应用和市场方面会细分，而且还涉及材料与器件的性价比问题。

   在光电方面，以第三代半导体为基础的光电器件产业化是比较成功的，市场前景持续看好，但产业规模增速将放缓。今后，智能照明、超越照明将成为创新重点，大量的研究工作正在从追求光效向提高品质、提升舒适度转变；并向农业、交通、医疗、通讯、建筑等领域拓展。例如，与建材一体化，实现建筑内“见光不见灯”；与AR、VR、大数据、物连网融合实现新的应用。最近，Cree公司宣布他们将更加重视质量，未来的LED产品寿命可达32年。

   在电学性能上，宽禁带半导体材料能实现更高的输出功率，可有效提高系统效率，更适合制作高温、高频、抗辐射及大功率器件，其不但可以覆盖雷达的几乎所有频率，而且可以满足国防工业所希望的单元高功率从而进一步缩小阵列。目前，宽禁带半导体技术和应用都有了新的进展，例如美国的部分氮化镓军工产品的制造成熟度已达9级。此外，下一代移动产品及网络也将是第三代半导体发展的重要驱动力。2015年TriQuint和RFMD两家合并成立Qorvo公司的目的之一也是为了争夺射频领域的未来市场，特别是未来5G移动产品和下一代无线网络和光网络的基础设施等。

   宽禁带半导体功率应用有着最大的增长潜力，其市场包括消费类电子、电动汽车、光伏逆变、工业电机、轨道交通、智能电网等。据Yole预测，2015-2020年，全球碳化硅和氮化镓电力电子器件产值的年增长率分别可达39%和80%。美国计划在未来5年内，通过能源部投资，带动企业、研究机构和州政府共同投入，加速碳化硅、氮化镓的研发和产业化，推动民用电力电子器件的发展，预计节能的效果相当于美国900万家庭用电总量。

   从市场角度来看，2015年全世界半导体市场规模约3300亿美元，其中集成电路2800亿美元、光电子器件300亿美元、分立器件200亿美元，分立器件中有120亿美元是功率器件。如果宽禁带半导体材料能实现部分功率器件的替代，据国际预测，到2020年可以有20亿～30亿美元的市场。总的来说，这个产业市场规模并没有想象的那么大，建议我国企业不要一哄而上，对市场规模要有精准的分析和判断……