中国工程院院士干勇：关注半导体材料发展国际趋势

从国际半导体产业发展趋势来看，随着硅半导体材料主导的摩尔定律逐渐走向其物理极限，同时硅也满足不了微波射频、高效功率电子和光电子等新需求快速发展的需要，以化合物半导体材料，特别是第三代半导体为代表的半导体新材料快速崛起，未来10年将对国际半导体产业格局重塑产生至关重要的影响。第三代半导体兴起于上世纪90年代初，以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等宽禁带半导体材料为代表，具备击穿电场高、热导率大、电子饱和漂移速率高、抗辐射能力强等优越性能，是广泛用于信息化社会、人工智能、万物互联、现代农业、现代医疗、智能交通、国防安全等重点领域的关键材料，其发展水平是反映一个国家高技术实力、国防能力和国际竞争力的主要标志之一。

碳化硅是新型电力系统——特高压电网必需的可达万伏千安等级的唯一功率半导体材料，同时也是高铁和新能源汽车牵引、电控系统的“心脏”，可使高铁动力系统体积、重量减小20％，损耗降低20％；新能源汽车电控系统体积重量减少80%，电能转换效率提升20%。氮化镓则是目前能同时实现高频、高效、大功率的唯一材料，是支撑5G通信基站升级换代、6G通信基站优先布局、军用雷达性能得以提高的关键材料。

据不完全统计，2022年美国、英国、意大利、新加坡、日本、法国等国家新布局21个第三代半导体公共研发项目，金额超12.6亿美元。涉及材料、外延、器件、系统等各环节，突出8英寸碳化硅衬底和晶圆制造、车用800V电压平台的碳化硅功率器件及电控系统等。

在新能源汽车、光伏、储能等需求带动下，第三代半导体产业高速发展，2022年全球碳化硅、氮化镓功率半导体市场规模约23.7亿美元。

从国际应用范围来看，碳化硅主要应用于新能源汽车、智能电网领域。碳化硅单晶衬底方面，目前半绝缘型衬底以4英寸为主，导电型衬底以6英寸为主，8英寸导电型、半绝缘型衬底已开发出样品。面向车用的碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管（SiC MOSFET）和碳化硅功率模块是企业当前开发的重点。氮化镓则主要应用于消费类电子市场。氮化镓衬底以2至4英寸为主，日本住友化学、三菱化学占全球85%市场份额，商业化的氮化镓同质外延仍以2英寸为主，3英寸处于研发阶段。蓝宝石基氮化镓外延材料应用以LED为主，LED芯片市场占光电市场90%以上，植物照明、车用和显示屏应用市场均呈现较大幅度扩展，主要器件企业包括日亚化学、欧司朗、三星等；硅基氮化镓外延材料主要应用于消费类电子、新能源汽车等领域，商业化产品以6至8英寸为主，12英寸产品已开发正推进规模化应用，主要企业包括英飞凌、安森美、意法半导体、松下等。

从国际技术发展水平来看，碳化硅方面，8英寸衬底开始产业化，车规级功率器件是当前开发重点，多家厂商已推出大功率模组及高温封装产品，碳化硅器件正向耐受更高电压、更高电流密度、更低导通压降、更高开关频率方向发展。目前商业化SiC MOSFET产品电压集中在650V、1200V、1700V，部分新品耐压等级已提高至2000V，越来越多应用于牵引主逆变器、车载充电机以及高低压DC-DC转换器中。氮化镓方面，国际上已制备出6英寸单晶衬底，功率器件向小型化、高功率密度、耐辐照方向发展，耐压1200V的商业化产品和垂直型功率器件已实现小批量供货。以氮化镓射频为例，2022年美国Integra公司宣布100V氮化镓射频器件开始出货，意法半导体和美国Macom公司已生产出硅基氮化镓原型，多家企业推出氮化镓毫米波产品。

从装备和辅材发展来看，一方面，8英寸碳化硅设备有望带动产业链成本下降。2022年德国爱思强股份有限公司发布8英寸碳化硅外延设备，相比竞争对手有10%至15%的成本优势，预计2023年推动成本下降25%。另一方面，耐高温材料、高效散热材料开发速度加快。日本田村公司已开发出用于第三代半导体器件的无铅焊料接合材料，计划2023年实现量产。

面对不稳定不确定的外部环境，第三代半导体始终保持高速发展态势。以车用为首的下游市场将进入高速增长期，上游晶圆供不应求，未来几年8英寸技术将推动产品性能不断提升、成本逐步下降，国产材料和芯片在客户端的认可度不断提高。

新一轮科技革命和产业变革深入发展，国际力量对比深刻调整，我国新材料产业发展面临新的战略机遇。第三代半导体产业需抓住市场需求爆发及国产化替代机遇，利用好我国超大规模市场优势，继续突破材料和器件关键技术、完善标准体系、推动国产替代应用、强化人才培育和引进，构建要素齐全、创新活跃、开放协同的产业生态。同时，不断优化资源配置，切实提升产业链供应链韧性和安全水平，全面提升产业体系现代化水平，逐步培育出龙头企业和创新型集群，引领行业高质量发展，支撑国家“双碳”战略实施。

（本文来源：经济日报 作者：中国工程院院士 干勇）