吴玲:有效整合资源、突破核心技术,“抢跑”第三代半导体

日期:2022-08-03 阅读:480
核心提示: 第三代半导体是通过半导体新材料技术突破和性能提升实现颠覆式器件和系统的战略性新兴产业,具有战略性和市场性双重特征,当前
 第三代半导体是通过半导体新材料技术突破和性能提升实现颠覆式器件和系统的战略性新兴产业,具有战略性和市场性双重特征,当前材料正在全面突破,应用驱动市场将全面开启,是推动移动通信、新能源汽车、高速列车、智能电网、新型显示、通信传感等产业创新发展和转型升级的新引擎,是实现“双碳”目标、“东数西算”战略和保障国家产业安全的重要支撑。
 
  第三代半导体产业技术创新战略联盟理事长吴玲在接受中国经济时报记者专访时认为,第三代半导体有紧迫的国家战略需求和明确应用目标导向,任务覆盖链条长、应用范围广、跨领域跨学科,需要立足全国一盘棋、全链条设计、一体化实施,把项目、人才、平台、基地和产业金融等资源有效整合。当前正值新的地缘政治下全球半导体竞争力重构的历史关键期,需要从国家层面制定实施精准、持续、稳定的第三代半导体发展战略和支持政策,才能在核心技术突破的同时建立产业创新体系,形成若干龙头品牌企业,提升我国在全球半导体产业的话语权。

应用需求驱动技术创新,抓机遇、迎变革、筑长板
 
中国经济时报:半导体领域的国产替代正在加快,第三代半导体被认为是最有希望重塑全球半导体产业竞争格局的重要突破口。目前,我国第三代半导体的技术发展和产业化应用情况如何?
 
吴玲:半导体产业是新的地缘政治下全球竞争焦点,是国家高技术实力、经济安全、国防能力、国际竞争力的主要标志,经过60多年的发展,全球半导体材料出现了三次突破性的发展进程。第一代半导体兴起于上世纪50年代,以硅(Si)、锗(Ge)等元素半导体为主要代表,其典型应用是超大规模集成电路芯片,是人类进入信息社会的基石,迄今依然在半导体产业中处于主导地位。第二代半导体兴起于上世纪70年代,以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)为代表的化合物半导体,弥补了Si材料在发光和高速输运性质上的局限,应用于长波长光电子(红外)和微波射频电子技术,是人类进入光通信和移动通讯时代的基础。
 
第三代半导体兴起于上世纪90年代初,以氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)等带隙宽度明显大于硅(Si)和砷化镓(GaAs)的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,功率芯片将大幅提升特高压柔性电网、高速列车、新能源汽车、工业电机、智能制造等新兴产业的能源利用效率和智能化水平,射频芯片支撑5G/6G通信重要的核心数据传输功能,满足绿色发展、智能制造等国家重大战略需求,对新兴产业的带动面广、拉动性强。
 
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材料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的重塑产生至关重要的影响。
 
当前国际第三代半导体材料、器件实现了从研发到规模性量产的成功跨越,已进入产业化快速发展阶段,在新能源汽车、高速列车、5G通信、光伏并网、消费类电子等多个重点应用领域实现了突破,未来5年将是第三代半导体产业发展的关键期,全球资本加速进入第三代半导体材料、器件领域,产能大幅度提升,企业并购频发,正处于产业爆发前的“抢跑”阶段。美国、日本、欧洲等发达国家在已有半导体产业优势的基础上,通过设立国家级创新中心、产业联盟等形式,引领、加速并抢占全球第三代半导体市场。我国第三代半导体领域在国家科技计划的支持下,初步形成了从材料、器件到应用的全产业链,但整体产业竞争力不强,可持续发展的能力较弱。
 
半导体照明自主可控,光电子与微电子深度融合,跨界创新应用有望引领发展。国内LED产业经过近20年的发展,已成为全球最大的生产、消费和出口国,2021年我国半导体照明产值7773亿元,芯片国产化率接近80%,Si基LED芯片技术处于国际领先。随着光电子技术的发展,不断催生Micro-LED、深紫外LED等新兴产业,面临着与微电子技术以及光生物、光健康、光治疗等跨界技术的融合,涉及到跨学科、跨领域的技术开发及协同创新方面的挑战。深紫外方面研发水平基本与国际同步,但在点缺陷控制、光模式调控、高场击穿调控等方面与美日水平相差3-5年。深紫外LED已在新冠肺炎疫情防治的公共安全领域开展示范应用。目前小功率芯片已规模化量产,但外量子效率与美国、日本有较大差距,高端芯片产品主要依赖进口。在Micro-LED方面,我国GaN基红光Micro-LED研究水平国际领先,蓝、绿光Micro-LED芯片效率基本与国际同步,在巨量转移等方面与国际水平有3-5年的差距。
 
微波射频开始国产替代,部分技术达到国际先进水平。基于第三代半导体材料的微波射频芯片是通信装备的核心基础,在5G通信移动基站实现6GHz以下产品小批量供应,解决了中兴、华为的燃眉之急,实现近10万只GaN功放管销售,2020年国内宏站用氮化镓射频器件国产化率超过20%。我国目前在材料应力控制、热管理、线性度、超高频器件、可靠性等方面与美国等还有3-5年的差距,材料和器件制备关键装备部分依赖国外。预计2023年进入毫米波频段商用,集成功放、低噪放、开关功能,国内目前还不具备产业化能力。6G已启动预研,太赫兹频段进入技术论证和研究阶段,预计2030年实现商用。
 
功率电子契合国家“双碳”战略,需求拉动产业链能力提升,但车规级、电网级高端产品与国际先进水平仍有较大差距。以新能源大规模开发利用和新型用电设施广泛发展为标志的新一轮能源革命蓬勃兴起。当前能源技术革命已经从电力高端装备的发展逐步向由材料革命的发展来带动和引领。在建设新能源为主体的新型电力系统中,碳化硅是目前已知的可达到万伏千安等级(特高压柔性直流输电必需)的唯一的功率半导体材料,可实现电力电子装置的小型化和模块化(体积减小40%,能量损耗减少50%),大幅提高能源互联网的可靠性、可控性,推动传统电网向半导体电网发展。5G基站、数据中心等新型用电设施的大规模建设运行,能耗问题已成为主要瓶颈(电费占运行成本一半),发展基于第三代半导体材料的高效电能转换技术刻不容缓,可使5G基站和数据中心电源变换损耗减少30%。
 
2021年,我国第三代半导体产业电力电子(SiC、GaN)产值规模达58亿元,同比增长29.6%,新能源汽车(含充电桩)是未来5年最大驱力,消费电子、PV光伏市场也保持高速增长。在碳化硅材料方面,国际上6英寸是主流技术,正在发展8英寸,美国Cree、意法半导体等已发布8英寸SiC衬底产品,预计未来3年将启动规模应用。目前我国已实现4英寸SiC衬底材料产业化,6英寸小批量试用。实现600-1700VSiC二极管量产,开发出1200-3300VSiCMOSFET小批量产品,已经在充电桩、光伏、车载充电器等中小功率领域实现应用。比亚迪、蔚来、小鹏等车企均推出车型采用全SiC模块的电机驱动控制器,其中比亚迪汉已销售10万辆,预计到2023年,SiC将全面替代Si的IGBT。与国际上相比,我国在技术成熟度、产业化能力、产业链配套方面都存在较大差距,产业整体的技术水平落后世界先进水平5年左右。比如新能源汽车电驱动核心功率芯片被国外的大公司所垄断(如英飞凌、Cree等),美国Cree等公司占有全球SiC衬底材料产量的70%以上。另外目前国内产线产业化水平和能力仍然满足不了产业应用需求,成为当前产业链主要短板。
 
摩尔定律主导的技术以硅材料为核心,以冯·诺依曼架构为基础,以几何尺寸缩小和器件效能提升为标志,已逐渐趋近物理极限。以第三代半导体为代表的化合物半导体侧重于功能的多样化,由应用需求驱动,为未来低碳、智能化社会发展提供了更多技术解决方案。同时物理学、材料科学、量子科学及微纳加工技术不断发展,为半导体信息器件提供了新的发展维度,衍生出基于新原理、新材料的颠覆性器件。超宽禁带半导体、自旋电子学材料等半导体新材料全球处于竞争初期,我国与国际基本同步,亟须持续加紧布局。
 
尽管我国在第三代半导体技术和产业方面与国际有一定的差距,但中国在第三代半导体的应用需求和制度安排上有战略优势,应用驱动的发展模式有利于中国这种制造和市场大国。中国引领的全球能源互联网、高速轨道交通、新能源汽车、5G移动通信、消费电子等应用市场,都离不开第三代半导体的支撑。相较硅集成电路,第三代半导体材料对芯片性能起决定性作用,芯片制造工艺门槛相对低、投资小,对尺寸线宽、设计复杂度的要求远低于硅集成电路,在材料、装备、设计和芯片代工方面都有一些发展势头很好的企业,打破封锁的可能性更大,是最适合中国目前发力的半导体具体领域。
 
迭代研发不够,公共平台缺位,缺乏有效实现产业链协同发展的机制
 
中国经济时报:近年来,我国第三代半导体已经成为市场热门。当前,扩大第三代半导体领域的有效投资、提升产业链供应链现代化水平过程中遇到的问题与挑战有哪些?
 
吴玲:当前以美国为主导的逆全球化浪潮加剧,信息安全、产业链安全、产业升级等多因素驱动,我国亟须摆脱对半导体产业链高度的对外依赖。我国产业面临的主要问题与挑战如下。
 
第一,产业链条不通、迭代研发不够、资源整合不足。半导体在应用系统中成本占比低,但性能和可靠性要求高,特别是汽车、高铁、电网等高可靠性要求行业,国产材料和器件进入应用供应链难度大、周期长,没有机会通过应用验证进行迭代研发,产业化能力提升慢。我国企业普遍小、散、弱,研发力量分散,低水平同质竞争。中试阶段迭代成本高,缺乏全链条的配套与整合能力,特别是涉及跨学科、跨链条、颠覆式技术路线的创新难度大,单靠企业力量很难实现,需要有强有力的牵头主体统筹组织形成全链条协同。
 
第二,开放的研发中试平台缺位,质量评价体系落后。共性技术需要开放的、高水平的硬件平台支撑大中小企业融通联合研发,材料要被市场接受,需要解决可靠性、测试评价、标准等问题。虽然目前个别科研院所的平台有一定的功能,但设备条件不足、开放性不够、缺乏持续的资金支持。单独企业建立的平台开放性不够、链条覆盖少,特别是同行竞争企业很难使用。标准、检测认证等能力也跟不上,质量评价体系落后。比如车规级功率器件国内车企基本等同采用英飞凌等国际大公司的企业标准,对国产材料和器件缺乏统一的评价方法、标准和第三方测评机构,导致国产化推进慢、配合意愿度低。
 
第三,“政产学研用金”联动的科研攻关组织模式尚待完善。第三代半导体材料和器件既有面向电网、高铁等垄断行业的高端定制化产品需求,也有面向新能源、智能制造、消费类电子、新能源汽车等市场充分竞争的多样化产品需求。目前国内企业或科研机构只能覆盖个别环节,在央地协同、政企结合、研产融合、国际合作的技术创新体系闭环方面能力不足,特别是在与国家重大科技项目部署衔接方面,需要与第三方组织建立协同一致的创新机制和利益共同体的连接机制。
 
顶层设计、系统推进、开放创新、形成合力,以应用促发展
 
中国经济时报:如何加快补齐第三代半导体产业链短板,加快提升产业链供应链现代化水平?
 
吴玲:我认为,加快提升我国第三代半导体产业链产业链供应链现代化水平,可以从以下几个方面发力。
 
第一,聚焦国家战略,重大项目牵引,凝聚创新合力。尽快启动国家2030重大项目和材料国家实验室,建设战略定位高端、组织运行开放、创新资源聚集的平台和国家战略科技力量,创建重大项目、创新中心、产业基地、基金一体化组织模式,发挥新型举国体制优势,统筹规划、多措并举、协同创新形成合力。引入专业第三方参与组织、协调和管理,建立清晰的管理界面,以及动态管理和考核办法。针对不同细分领域建立目标明确、权责清晰、体系化任务型的产学研创新联合体,集中力量,突破核心材料和装备制约,打通堵点、断点,形成产学研用紧密合作、大中小企业融通发展跨学科、跨领域、跨区域协同创新的局面。建立军转民协同创新模式,加强以应用为目标的基础材料、设计、工艺、装备、封测、标准等国家体系化能力建设,引导产业集群化发展。
 
第二,应用促发展,培育龙头,加速产业化能力提升。发挥大市场优势,以应用促发展,建立技术供给与市场化拉动一体化的实施机制,选取新能源汽车及充电设施、智能电网、数据中心电源、5G通信设施等新型基础设施建设典型应用场景,以“百城亿芯”示范工程推动新技术新产品落地,通过中央与地方政府投入,带动企业和社会资本投入,加快迭代研发,打通产业链条,降低企业创新应用门槛。完善材料测试评价方法和标准,搭建国家级测试验证和生产应用示范平台。培育细分领域国际龙头品牌企业,优化产业布局和产业链结构,不断增强国家自主可控的技术链和产业链,提升我国产业创新能力和国际竞争力。
 
第三,多措并举,完善产业生态发展环境。面向具有战略性和市场性双重特征、颠覆性技术还未形成规模化应用的新兴产业领域,支持产业创新联盟作为第三方非营利实体,组织牵头创新联合体群,构建科技资本链网,实现国家信用对研发链、产业链和资本链的拉动,对产业链优质企业和研发平台进行筛选,通过承接重大项目、基金投资等注入国家信用,在财政、税收、金融、人才、法律、知识产权各方面得到政策支持。引导各类资本参与创新项目的市场化、规模化放大,引导下游市场链资金以投资方式反哺上游研发链,实现良性循环。引进和培育由战略性领军人才、创新创业人才,特别是成熟的工程技术人才和青年人才等各类创新人才队伍的人才体系。注重知识产权战略,鼓励专利运营,建立有竞争力的专利池。构建有序开放的技术标准与检测认证服务体系,主动参与国际标准制订,提高国际标准话语权。打造多主体、全链条、系统化的产业体系与生态,完善发展环境。
 
第四,开放创新,推进精准深入的国际合作。因势利导把握契机,加快巩固中欧科技合作,系统性的、最大限度地利用好欧洲在若干半导体领域的领先地位,聚集全球创新资源。吸引国外有基础、有意愿与中国深化合作的优质科技企业落地中国,带动本土产业链发展,推动中国企业与全球产业链的紧密合作,开展常态化海外项目的输送与技术转移。如西欧(荷兰、德国、意大利、法国等)、北欧(瑞典、丹麦、芬兰等)、东欧(波兰、匈牙利等)等在产业链各环节均具备技术特色和优势,但这些国家普遍存在产业链不完整、市场规模有限等发展瓶颈,在保证双赢的条件下,他们有和我国合作的动力和意愿。充分发挥社会组织在国际合作中的独特优势,代表中国深入参与国际学术、技术组织,开展国际技术路线研究、标准研制等合作。
 
(来源:中国经济时报  郭锦辉)
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