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從國際半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢來看，隨著硅半導體材料主導的摩爾定律逐漸走向其物理極限，同時硅也滿足不了微波射頻、高效功率電子和光電子等新需求快速發(fā)展的需要，以化合物半導體材料，特別是第三代半導體為代表的半導體新材料快速崛起，未來10年將對國際半導體產(chǎn)業(yè)格局重塑產(chǎn)生至關重要的影響。第三代半導體興起于上世紀90年代初，以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等寬禁帶半導體材料為代表，具備擊穿電場高、熱導率大、電子飽和漂移速率高、抗輻射能力強等優(yōu)越性能，是廣泛用于信息化社會、人工智能、萬物互聯(lián)、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、現(xiàn)代醫(yī)療、智能交通、國防安全等重點領域的關鍵材料，其發(fā)展水平是反映一個國家高技術實力、國防能力和國際競爭力的主要標志之一。

碳化硅是新型電力系統(tǒng)——特高壓電網(wǎng)必需的可達萬伏千安等級的唯一功率半導體材料，同時也是高鐵和新能源汽車牽引、電控系統(tǒng)的“心臟”，可使高鐵動力系統(tǒng)體積、重量減小20％，損耗降低20％；新能源汽車電控系統(tǒng)體積重量減少80%，電能轉(zhuǎn)換效率提升20%。氮化鎵則是目前能同時實現(xiàn)高頻、高效、大功率的唯一材料，是支撐5G通信基站升級換代、6G通信基站優(yōu)先布局、軍用雷達性能得以提高的關鍵材料。

據(jù)不完全統(tǒng)計，2022年美國、英國、意大利、新加坡、日本、法國等國家新布局21個第三代半導體公共研發(fā)項目，金額超12.6億美元。涉及材料、外延、器件、系統(tǒng)等各環(huán)節(jié)，突出8英寸碳化硅襯底和晶圓制造、車用800V電壓平臺的碳化硅功率器件及電控系統(tǒng)等。

在新能源汽車、光伏、儲能等需求帶動下，第三代半導體產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，2022年全球碳化硅、氮化鎵功率半導體市場規(guī)模約23.7億美元。

從國際應用范圍來看，碳化硅主要應用于新能源汽車、智能電網(wǎng)領域。碳化硅單晶襯底方面，目前半絕緣型襯底以4英寸為主，導電型襯底以6英寸為主，8英寸導電型、半絕緣型襯底已開發(fā)出樣品。面向車用的碳化硅金屬氧化物半導體場效應晶體管（SiC MOSFET）和碳化硅功率模塊是企業(yè)當前開發(fā)的重點。氮化鎵則主要應用于消費類電子市場。氮化鎵襯底以2至4英寸為主，日本住友化學、三菱化學占全球85%市場份額，商業(yè)化的氮化鎵同質(zhì)外延仍以2英寸為主，3英寸處于研發(fā)階段。藍寶石基氮化鎵外延材料應用以LED為主，LED芯片市場占光電市場90%以上，植物照明、車用和顯示屏應用市場均呈現(xiàn)較大幅度擴展，主要器件企業(yè)包括日亞化學、歐司朗、三星等；硅基氮化鎵外延材料主要應用于消費類電子、新能源汽車等領域，商業(yè)化產(chǎn)品以6至8英寸為主，12英寸產(chǎn)品已開發(fā)正推進規(guī)?；瘧茫饕髽I(yè)包括英飛凌、安森美、意法半導體、松下等。

從國際技術發(fā)展水平來看，碳化硅方面，8英寸襯底開始產(chǎn)業(yè)化，車規(guī)級功率器件是當前開發(fā)重點，多家廠商已推出大功率模組及高溫封裝產(chǎn)品，碳化硅器件正向耐受更高電壓、更高電流密度、更低導通壓降、更高開關頻率方向發(fā)展。目前商業(yè)化SiC MOSFET產(chǎn)品電壓集中在650V、1200V、1700V，部分新品耐壓等級已提高至2000V，越來越多應用于牽引主逆變器、車載充電機以及高低壓DC-DC轉(zhuǎn)換器中。氮化鎵方面，國際上已制備出6英寸單晶襯底，功率器件向小型化、高功率密度、耐輻照方向發(fā)展，耐壓1200V的商業(yè)化產(chǎn)品和垂直型功率器件已實現(xiàn)小批量供貨。以氮化鎵射頻為例，2022年美國Integra公司宣布100V氮化鎵射頻器件開始出貨，意法半導體和美國Macom公司已生產(chǎn)出硅基氮化鎵原型，多家企業(yè)推出氮化鎵毫米波產(chǎn)品。

從裝備和輔材發(fā)展來看，一方面，8英寸碳化硅設備有望帶動產(chǎn)業(yè)鏈成本下降。2022年德國愛思強股份有限公司發(fā)布8英寸碳化硅外延設備，相比競爭對手有10%至15%的成本優(yōu)勢，預計2023年推動成本下降25%。另一方面，耐高溫材料、高效散熱材料開發(fā)速度加快。日本田村公司已開發(fā)出用于第三代半導體器件的無鉛焊料接合材料，計劃2023年實現(xiàn)量產(chǎn)。

面對不穩(wěn)定不確定的外部環(huán)境，第三代半導體始終保持高速發(fā)展態(tài)勢。以車用為首的下游市場將進入高速增長期，上游晶圓供不應求，未來幾年8英寸技術將推動產(chǎn)品性能不斷提升、成本逐步下降，國產(chǎn)材料和芯片在客戶端的認可度不斷提高。

新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革深入發(fā)展，國際力量對比深刻調(diào)整，我國新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨新的戰(zhàn)略機遇。第三代半導體產(chǎn)業(yè)需抓住市場需求爆發(fā)及國產(chǎn)化替代機遇，利用好我國超大規(guī)模市場優(yōu)勢，繼續(xù)突破材料和器件關鍵技術、完善標準體系、推動國產(chǎn)替代應用、強化人才培育和引進，構(gòu)建要素齊全、創(chuàng)新活躍、開放協(xié)同的產(chǎn)業(yè)生態(tài)。同時，不斷優(yōu)化資源配置，切實提升產(chǎn)業(yè)鏈供應鏈韌性和安全水平，全面提升產(chǎn)業(yè)體系現(xiàn)代化水平，逐步培育出龍頭企業(yè)和創(chuàng)新型集群，引領行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，支撐國家“雙碳”戰(zhàn)略實施。

（作者干 勇 系中國工程院院士 來源：經(jīng)濟日報）

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