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观美日欧第3代半导体材料产业思中国发展之路

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/ 王兴艳 商龚平

工业和信息化部赛迪智库原材料工业研究所

以碳化硅(S i C)、氮化镓(G a N)为代表的第3代半导体材料具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高键合能等优点,能够满足现代电子技术对高温、高功率、高压、高频及抗辐射等条件的要求,在太阳能、半导体照明、智能电网等众多领域应用不仅可以减少一半以上的能量损失,而且可以使装备体积大大缩小(如笔记本电脑适配器可减小80%,一个电站将只有手提箱那么大),在国防安全、航空航天、新能源、光存储、石油勘探等多个领域有着广阔的应用前景。正是由于第3代半导体材料的优异性能、未来广阔的应用空间以及对国家安全、经济发展、节能环保等多个方面可能带来的巨大影响,使之成为各国竞相发展的战略高地。

一、美日欧建立了良好的发展基础

1. 美国:技术领先,拥有一批国际化生产企业

美国有很多大学、研究机构和公司都开展了第3代半导体材料单晶制备技术的研究,并一直处于技术领先地位。美国第3代半导体材料S iC、G aN、氮化铝(AlN)均已经实现了产业化,形成了一批生产企业。如美国的科锐(Cree)公司、Bandgap公司、道康宁(Dow Corning)公司、IIVI公司、Instrinsic公司实现了碳化硅单晶抛光片商品化,其中C r e e公司碳化硅单晶材料的技术水平可代表了国际水平;TDI、Kyma、ATMI、Cree、CPI等公司都成功生产出氮化镓单晶衬底,Kym公司已经可以出售1英寸、2英寸、3英寸氮化镓单晶衬底;美国的T DI公司已经完全掌握HV PE法制备AlN基片技术并实现产业化。

2. 日本:研究成果丰硕,形成了一批生产企业

日本也一直热衷于第3代半导体材料的研究,取得了丰硕的研究成果,并形成了一批生产企业。如在S i C方面,N i p p o n和S i x o n公司均已实现S i C单晶抛光片的产业化;在氮化镓衬底方面,住友电工(SEI)和日立电线(Hitachi Cable)已经能够批量生产氮化镓衬底,日亚(Nichia)、Matsushita、索尼(Sony)、东芝(Toshiba)等也对GaN开展了相关研究;在A l N方面,拥有东京农工大学、三重大学、N G K公司、名城大学等技术研究单位,并已经取得了一定成果;在氧化锌(Z n O)方面,已经具备直径2英寸的高质量Z n O单晶生长技术。

3. 欧盟:拥有一定研发能力,具备材料的生产加工能力

欧盟第3代半导体材料实现S i C单晶抛光片的生产企业有芬兰的Ok m e t i c公司和德国的S i C r y s t a l公司,从事氮化镓体单晶的研究主要有波兰的T o p - G aN和法国的Lumilog两家公司,其中Top-GaN生产GaN材料采用HVPE工艺。另外,瑞典的林雪平大学在HVPE法生长AlN方面也有一定的研究水平。

二、联盟式创新发展成为美日欧的一致性选择

1. 美国:成立下一代功率电子技术国家制造业创新中心

2012年美国就支持下一代半导体技术的长期研究进行项目建议征集。美国国家标准与技术研究院(N I S T)在第1年为项目提供260万美元,并计划持续资助5年时间。NIST希望获得资助的项目包含以产业为导向的合作关系,如产业界、学术界、非营利机构、政府部门等组织,以帮助克服项目中的技术障碍,NIST倾向于资助一些机构组成的团体,这样能够超越单独业界成员拥有的资源,展开广泛深入的研究工作。

2014年1月15日,美国总统奥巴马宣布由北卡罗来纳州立大学率领一个由18家企业、7所大学和实验室组成的联盟,建设成立“下一代功率电子技术国家制造业创新中心”,关注下一代电力电子,通过宽带隙半导体技术开发高能效、大功率的电子芯片,使发动机、消费电子产品及电网支撑器件类的电力电子器件更快速、更小巧、更高效(详见表1)。美国能源部(D O E)将在5年内投入资金7 000万美元,同时该联盟及北卡罗来纳州也将匹配至少相同额度的经费。通过成立创新中心,美国将电力电子供应链上的企业紧密联系在一起,从材料研发与制造,到新型半导体芯片及器件的开发、设计和制造,再到芯片及器件在电力电子上的应用,推动产品和技术更快进入市场。不仅如此,创新中心的成立,还大大促进了成员间实现设备设施、测试及建模能力的共享,为成员输送芯片设计及制造人员,提供培训、高等教育课程和实习岗位等。

2. 日本:设立了下一代功率半导体封装技术开发联盟

日本作为第3代半导体材料研究和产业化的强国,设立了“下一代功率半导体封装技术开发联盟”,由大阪大学牵头,联合了包括罗姆、三菱电机、松下电器在内的18家从事S i C和G a N材料、器件以及应用技术开发和产业化的企业、大学和研究中心,共同开发第3代功率半导体封装技术,以推动第3代半导体应用的快速产业化发展(详见表2)。

3. 欧洲:启动了“LAST POWER”产学研项目

欧洲启动了产学研项目“L A S TP OWE R”,由意法半导体公司牵头,协同来自意大利、德国、法国、瑞典、希腊和波兰等6个欧洲国家的私营企业、大学和公共研究中心,联合攻关S i C和G a N的关键技术(详见表3)。项目通过研发高性价比且高可靠性的S i C和G a N功率电子技术,使欧洲跻身于世界高能效功率芯片研究与商用的最前沿。

三、以联盟式创新推动我国产业实现协同式快速发展

从上述美日欧第3代半导体材料的发展及创新联盟来看,我国发展第3代半导体材料需要依托产业链形成创新链,借以推动产业体系形成,培育一批拥有国际品牌的企业,在国际上抢占产业发展制高点。2015年9月,在国家科技部、工业和信息化部、北京市科学技术委员会的支持下,第3代半导体产业技术创新战略联盟正式成立,该联盟包括以中国科学院半导体研究所为代表的科研机构,以北京大学、南京大学、西安电子科技大学为代表的大专院校,以三安光电股份有限公司、国网智能电网研究院、中兴通讯股份有限公司、苏州能讯高能半导体有限公司、山东天岳先进材料科技有限公司为代表的企业机构。当前我国第3代半导体材料研发与国外差距不大,如果通过产业链协同创新,完全有可能实现弯道超车,打破半导体产业受制于人的被动局面。

今后,我国应借力产业联盟的协同作用,大力发展第3代半导体产业。一是进一步构建完整统一的高效联盟。联盟成员不仅要包括高校、研究机构、生产企业和下游应用企业,更要积极引入标准制定、检测检验、技术认证等机构的加入,确保联盟内成员围绕产业发展实现无缝对接。二是国家应对联盟加大支持力度,在支持项目的选择上,要向以产业发展为导向的合作项目予以倾斜;在资金支持方式选择上,选择 “政府+联盟”方式,在政府加大项目资金支持力度的同时,要求联盟及其成员单位配套相应的资金对项目进行支持;在支持方向上,选择制约产业发展的关键技术,以期打破制约产业发展的技术障碍。三是优化整合联盟资源,构建高效联盟。加强联盟成员间联系,实现设备、信息、人才共享,发挥企业和科研机构产业优势和资源优势,为高校学生提供实习基地和科研条件,同时助推高校为企业和科研机构输入高水平的技术人才和科研人才。总之,要紧紧围绕产业发展需要,集合优势资源,发挥各方优势,形成促进产业发展的强效合力,更好推动产业化发展。

10.3969/j.issn.1008-892X.2016.11.006

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