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董亚秋 许有志 | 多措并举 加快实现宽禁带半导体高端原材料及装备自主可控
发布日期:2020-08-21 作者:董亚秋 许有志 信息来源:中咨智库 访问次数: 字号:[ ]

近年来,以氮化镓、碳化硅等宽禁带化合物为代表的第三代半导体材料迅速发展,其适用于高温、高功率、高频以及高辐射等恶劣条件,已成为新一代信息技术、能源互联网、新能源汽车、国防安全的关键材料,是西方对我技术封锁的重中之重。近期,美国产业与安全局延长并升级对华为供应链禁令,规定只要芯片代工厂采用美国的技术和设备为华为代工芯片,一律要先取得美政府同意。《瓦森纳协定》扩大半导体出口管制范围以及日韩半导体材料之争均警示我们应加快突破宽禁带半导体高端原材料和装备瓶颈,加强自主可控保障力度,助力我半导体产业实现“弯道超车”。

我宽禁带半导体面临发达国家日趋严峻的技术封锁

当前,5G 通信技术、新能源汽车推广以及光电应用推动宽禁带半导体产业蓬勃发展,各国积极开展战略部署,通过建立创新中心、联合研发等方式,加大产学研政协同组织和投入,推进产品级开发和终端应用,形成了美欧日三足鼎立的产业布局,其中美国凭借科锐、道康宁等国际巨头,居于领导地位,占有全球碳化硅产量的70—80%。而随着中美贸易争端加剧,美不断加大对我宽禁带半导体材料技术封锁。美外资投资委员会以“国家安全”为由封杀了多起中资参与的并购案,包括我产业基金对美、德半导体材料设备企业的收购。

三大瓶颈制约我宽禁带半导体材料自主可控

我宽禁带半导体材料研发始于2004年,发展至今在国际仍处于产业跟跑阶段,关键核心技术亟待突破。当前,宽禁带半导体在电力电子和射频器件领域面临重要窗口期,国际半导体产业巨头尚未对行业标准和技术形成完全垄断,在政策和市场双重推动下,我国宽禁带半导体产业发展正当时。但工业基础薄弱、产业化滞后、产业生态不完善始终制约我宽禁带半导体材料实现自主可控,表现为三大瓶颈:

高端原材料、关键技术装备遭“卡脖子”

部分籽晶、高纯碳粉、高纯气体等原材料,石墨坩埚、碳基保温材料等生产物料主要依赖进口,存在被国外垄断、禁运的风险。生产设备国产化率不高,如单晶炉主要由美国科锐、德国爱思强、日本三菱供货,研磨机、抛光机、外延炉等生产装备,微观分析仪器等检测设备也主要依赖进口。

工艺技术差距制约质量提升

国内企业在制备碳化硅晶圆的技术工程化过程中仍存在提纯、控温、切割抛光等工艺技术难题,同时分析检测手段相对不足,微观特性差距严重影响晶体材料的质量和性能,导致质量不及国外,成本较高,器件企业不敢用,国产化替代难。

国外产业生态壁垒难以打破

国内碳化硅材料企业规模较小,如北京天科合达半导体公司2—4英寸碳化硅晶圆的产能仅7万片/年,而领域代表性企业美国科锐的产能按6英寸折算约为80万—100万片/年,约占全球市场的80%。此外,国外半导体材料研发投入比国内早近 20年,市场占有率较高,导致国内器件企业的研发大都建立在国外晶圆的基础上。而国内半导体材料企业由于初期难以得到下游器件企业的技术反馈,质量提升较慢。

3几点建议

聚焦高端原材料、制备及检测装备短板,突破关键核心技术

应充分发挥材料、工艺和装备一体化优势,尽快突破大尺寸、高性能单晶衬底产业化技术,结合产业发展的需要,开发先进的国产化工艺装备和材料,以满足宽禁带半导体高速发展的需求。

以应用为导向,建立“技术供给与市场拉动一体化”的试点示范组织实施机制

制定包括技术集成、产品应用、商业模式、工程监管、标准检测等在内的系统化、集成化实施方案,重点开展面向电动汽车、新能源与能源互联网、5G 通信以及智能照明等重点领域的试点示范。

推动央企在宽禁带半导体材料技术领域开展联合攻关

当前,多家中央企业均积极布局宽禁带半导体材料研发与应用。建议主管部门统筹整合上下游央企科研力量,给予资金支持和政策倾斜,围绕宽禁带半导体材料制备工艺技术和设备开展联合攻关,加快实现我宽禁带半导体产业自主可控。

鼓励民营、外资企业投资半导体制造业

鼓励发展宽禁带半导体专用材料及器件生产线,尤其针对有半导体行业经验的大型企业集团。应用方面建议从对可靠性要求相对较低的消费级电子产业、对宽禁带半导体器件有刚性需求的产业(如光伏逆变器、5G 通信)、受政策导向影响较大的产业(如充电桩)等逐步切入市场。

企业最大限度利用海外成熟技术和人才

建议针对美、日等对我封锁严格的国家,可通过人才和技术引进,或者在当地设研发中心的方式获得技术资源。针对欧洲和俄罗斯,可考虑寻找中小规模材料或器件企业整体并购或团队整体引进的方式获得合作。

注释:固体中电子的能量具有不连续的量值,电子都分布在一些相互之间不连续的能带上。价电子所在能带与自由电子所在能带之间的间隙称为禁带或带隙。所以禁带的宽度实际上反映了被束缚的价电子要成为自由电子所必须额外获得的能量。硅的禁带宽度为1.12电子伏特(eV),而宽禁带半导体材料是指禁带宽度在2.3eV及以上的半导体材料,典型的是碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、金刚石等材料。




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