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從國際半導體產業發展趨勢來看，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業格局重塑產生至關重要的影響。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、抗輻射能力強等優越性能，是廣泛用于信息化社會、人工智能、萬物互聯、現代農業、現代醫療、智能交通、國防安全等重點領域的關鍵材料，其發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——特高壓電網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、電控系統的“心臟”，可使高鐵動力系統體積、重量減小20％，損耗降低20％；新能源汽車電控系統體積重量減少80%，電能轉換效率提升20%。氮化鎵則是目前能同時實現高頻、高效、大功率的唯一材料，是支撐5G通信基站升級換代、6G通信基站優先布局、軍用雷達性能得以提高的關鍵材料。

據不完全統計，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項目，金額超12.6億美元。涉及材料、外延、器件、系統等各環節，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等。

在新能源汽車、光伏、儲能等需求帶動下，第三代半導體產業高速發展，2022年全球碳化硅、氮化鎵功率半導體市場規模約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當前開發的重點。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，商業化的氮化鎵同質外延仍以2英寸為主，3英寸處于研發階段。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較大幅度擴展，主要器件企業包括日亞化學、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，商業化產品以6至8英寸為主，12英寸產品已開發正推進規模化應用，主要企業包括英飛凌、安森美、意法半導體、松下等。

從國際技術發展水平來看，碳化硅方面，8英寸襯底開始產業化，車規級功率器件是當前開發重點，多家廠商已推出大功率模組及高溫封裝產品，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展。目前商業化SiC MOSFET產品電壓集中在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、耐輻照方向發展，耐壓1200V的商業化產品和垂直型功率器件已實現小批量供貨。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公司已生產出硅基氮化鎵原型，多家企業推出氮化鎵毫米波產品。

從裝備和輔材發展來看，一方面，8英寸碳化硅設備有望帶動產業鏈成本下降。2022年德國愛思強股份有限公司發布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、高效散熱材料開發速度加快。日本田村公司已開發出用于第三代半導體器件的無鉛焊料接合材料，計劃2023年實現量產。

面對不穩定不確定的外部環境，第三代半導體始終保持高速發展態勢。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英寸技術將推動產品性能不斷提升、成本逐步下降，國產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業變革深入發展，國際力量對比深刻調整，我國新材料產業發展面臨新的戰略機遇。第三代半導體產業需抓住市場需求爆發及國產化替代機遇，利用好我國超大規模市場優勢，繼續突破材料和器件關鍵技術、完善標準體系、推動國產替代應用、強化人才培育和引進，構建要素齊全、創新活躍、開放協同的產業生態。同時，不斷優化資源配置，切實提升產業鏈供應鏈韌性和安全水平，全面提升產業體系現代化水平，逐步培育出龍頭企業和創新型集群，引領行業高質量發展，支撐國家“雙碳”戰略實施。

（作者干 勇 系中國工程院院士 來源：經濟日報）

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