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從國(guó)際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，隨著硅半導(dǎo)體材料主導(dǎo)的摩爾定律逐漸走向其物理極限，同時(shí)硅也滿(mǎn)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(dǎo)體材料，特別是第三代半導(dǎo)體為代表的半導(dǎo)體新材料快速崛起，未來(lái)10年將對(duì)國(guó)際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)格局重塑產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。第三代半導(dǎo)體興起于上世紀(jì)90年代初，以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等寬禁帶半導(dǎo)體材料為代表，具備擊穿電場(chǎng)高、熱導(dǎo)率大、電子飽和漂移速率高、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)越性能，是廣泛用于信息化社會(huì)、人工智能、萬(wàn)物互聯(lián)、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、現(xiàn)代醫(yī)療、智能交通、國(guó)防安全等重點(diǎn)領(lǐng)域的關(guān)鍵材料，其發(fā)展水平是反映一個(gè)國(guó)家高技術(shù)實(shí)力、國(guó)防能力和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的主要標(biāo)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(dá)萬(wàn)伏千安等級(jí)的唯一功率半導(dǎo)體材料，同時(shí)也是高鐵和新能源汽車(chē)牽引、電控系統(tǒng)的“心臟”，可使高鐵動(dòng)力系統(tǒng)體積、重量減小20％，損耗降低20％；新能源汽車(chē)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(shí)實(shí)現(xiàn)高頻、高效、大功率的唯一材料，是支撐5G通信基站升級(jí)換代、6G通信基站優(yōu)先布局、軍用雷達(dá)性能得以提高的關(guān)鍵材料。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2022年美國(guó)、英國(guó)、意大利、新加坡、日本、法國(guó)等國(guó)家新布局21個(gè)第三代半導(dǎo)體公共研發(fā)項(xiàng)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(chē)用800V電壓平臺(tái)的碳化硅功率器件及電控系統(tǒng)等。

在新能源汽車(chē)、光伏、儲(chǔ)能等需求帶動(dòng)下，第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，2022年全球碳化硅、氮化鎵功率半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模約23.7億美元。

從國(guó)際應(yīng)用范圍來(lái)看，碳化硅主要應(yīng)用于新能源汽車(chē)、智能電網(wǎng)領(lǐng)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(dǎo)電型襯底以6英寸為主，8英寸導(dǎo)電型、半絕緣型襯底已開(kāi)發(fā)出樣品。面向車(chē)用的碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（SiC MOSFET）和碳化硅功率模塊是企業(yè)當(dāng)前開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。氮化鎵則主要應(yīng)用于消費(fèi)類(lèi)電子市場(chǎng)。氮化鎵襯底以2至4英寸為主，日本住友化學(xué)、三菱化學(xué)占全球85%市場(chǎng)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(lán)寶石基氮化鎵外延材料應(yīng)用以LED為主，LED芯片市場(chǎng)占光電市場(chǎng)90%以上，植物照明、車(chē)用和顯示屏應(yīng)用市場(chǎng)均呈現(xiàn)較大幅度擴(kuò)展，主要器件企業(yè)包括日亞化學(xué)、歐司朗、三星等；硅基氮化鎵外延材料主要應(yīng)用于消費(fèi)類(lèi)電子、新能源汽車(chē)等領(lǐng)域，商業(yè)化產(chǎn)品以6至8英寸為主，12英寸產(chǎn)品已開(kāi)發(fā)正推進(jìn)規(guī)模化應(yīng)用，主要企業(yè)包括英飛凌、安森美、意法半導(dǎo)體、松下等。

從國(guó)際技術(shù)發(fā)展水平來(lái)看，碳化硅方面，8英寸襯底開(kāi)始產(chǎn)業(yè)化，車(chē)規(guī)級(jí)功率器件是當(dāng)前開(kāi)發(fā)重點(diǎn)，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(dǎo)通壓降、更高開(kāi)關(guān)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(jí)已提高至2000V，越來(lái)越多應(yīng)用于牽引主逆變器、車(chē)載充電機(jī)以及高低壓DC-DC轉(zhuǎn)換器中。氮化鎵方面，國(guó)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(shí)現(xiàn)小批量供貨。以氮化鎵射頻為例，2022年美國(guó)Integra公司宣布100V氮化鎵射頻器件開(kāi)始出貨，意法半導(dǎo)體和美國(guó)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(lái)看，一方面，8英寸碳化硅設(shè)備有望帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈成本下降。2022年德國(guó)愛(ài)思強(qiáng)股份有限公司發(fā)布8英寸碳化硅外延設(shè)備，相比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手有10%至15%的成本優(yōu)勢(shì)，預(yù)計(jì)2023年推動(dòng)成本下降25%。另一方面，耐高溫材料、高效散熱材料開(kāi)發(fā)速度加快。日本田村公司已開(kāi)發(fā)出用于第三代半導(dǎo)體器件的無(wú)鉛焊料接合材料，計(jì)劃2023年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

面對(duì)不穩(wěn)定不確定的外部環(huán)境，第三代半導(dǎo)體始終保持高速發(fā)展態(tài)勢(shì)。以車(chē)用為首的下游市場(chǎng)將進(jìn)入高速增長(zhǎng)期，上游晶圓供不應(yīng)求，未來(lái)幾年8英寸技術(shù)將推動(dòng)產(chǎn)品性能不斷提升、成本逐步下降，國(guó)產(chǎn)材料和芯片在客戶(hù)端的認(rèn)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(guó)際力量對(duì)比深刻調(diào)整，我國(guó)新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨新的戰(zhàn)略機(jī)遇。第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)需抓住市場(chǎng)需求爆發(fā)及國(guó)產(chǎn)化替代機(jī)遇，利用好我國(guó)超大規(guī)模市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，繼續(xù)突破材料和器件關(guān)鍵技術(shù)、完善標(biāo)準(zhǔn)體系、推動(dòng)國(guó)產(chǎn)替代應(yīng)用、強(qiáng)化人才培育和引進(jìn)，構(gòu)建要素齊全、創(chuàng)新活躍、開(kāi)放協(xié)同的產(chǎn)業(yè)生態(tài)。同時(shí)，不斷優(yōu)化資源配置，切實(shí)提升產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)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(lǐng)行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，支撐國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略實(shí)施。

（作者干 勇 系中國(guó)工程院院士 來(lái)源：經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)）

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