第三代/類半導體美國VS大陸 (上)

第三代半導體，台灣稱之為第三類半導體，實際上是指兩種現有和常見的功率半導體器件類型：氮化镓(GaN)和碳化矽(SiC) (下圖 Google Images)。氮化镓(GaN)具有高電子遷移率和高電子飽和速度特性，適合高速和高功率元件，比較典型的應用場景是下一代無線通訊係統。如小米、華為、OPPO等手機企業所推出的60W、65W，甚至100W、120W快充技術，就是基於GaN材料打造的。而碳化矽(SiC)則耐高溫及耐高壓，適合太陽能逆變器、工業電源以及新能源汽車主控電路。

以第三代/類半導體襯底的芯片，其物理尺寸可得到顯著減小，且外圍電路設計也得以簡化，從而進一步減小模塊、外圍組件和冷卻係統的尺寸。因此，碳化矽(SiC)和氮化镓(GaN)已經成為全球半導體工業的重要戰略重點。

製約第三代/類半導體發展的主要因素就是製備氮化镓(GaN)，尤其是碳化矽(SiC)基板 (下圖 i-MicroNews)。由於全球性的生產能力缺乏，誰能打破瓶頸，掌握碳化矽襯底供應的能力，誰就在半導體工業中具有更大的影響力。對於渴望突破美國(在第一/二代半導體)封鎖的中國大陸來說，市場方興未艾的第三代/類半導體提供了一個突破封鎖，彎道超車的絕佳機會。於是，大陸在人員、資金、政策方麵大力支持對第三代/類半導體材料的研究與開發。本文綜述最早研發出第三代/類半導體的科技強國美國與極力趕超的中國大陸在第三代/類半導體的政策、研發和生產的現狀。

國家政策

美國 2002年，國防先進研究計劃局(DARPA)啟動並實施了“寬禁帶半導體技術計劃(WBGSTI)”。推動對碳化矽(SiC)襯底的研究。2010年，美國推出“寬代半導體技術創新計劃”，主要推動高性能碳化矽(SiC)、氮化镓(GaN)材料應用與各種商用係統的開發。2011年，國防先進研究計劃局(DARPA)及其微係統技術辦公室(Microsystems Technology Office)讚助並發起了氮化物電子下一代技術(Nitride Electronic NeXt Generation Technology，NEXT) (下圖 HIR)計劃，推動氮化镓(GaN)材料在高頻領域的應用。2012年美國提出《國家製造也創新網絡(NNMI)》，要建成3家設計第3代/類半導體研發機構。2013年，美國能源先期研究計劃局(ARPA-E)提出了《控製高效係統的寬禁帶半導體低成本晶體管戰略(SWITCHES)》，開發下一代功率轉換器件。2014年7月提出：開啟美國“下一代電力電子技術國家製造業創新中心”的建設。2015年，國家科學基金會和能源部對阿肯色大學國家可靠電力傳輸中心的碳化矽(SiC)技術項目提供了資助，重點在開發電力係統中的碳化矽(SiC)電路。2016年2月能源部建立固態照明研發工作室，確定了以寬禁帶半導體技術為基礎，提高光效、消除使用的障礙、降低成本,並且驅動、優先考慮特定技術研發的應用。

中國大陸 2016年，大陸推出《國務院關於印發“十三五”國家科技創新規劃的通知》(下圖 百度百科)，首次提及加快第三代半導體芯片技術與器件的研發。2019年，工信部印發《重點新材料首批次應用示範指導目錄》，其中氮化镓(GaN)單晶襯底、功率器件用氮化镓(GaN)外延片、碳化矽(SiC)外延片，碳化矽(SiC)單晶襯底等第三代半導體產品進入目錄。2019年，國務院《長江三角洲區域一體化發展規劃綱要》要求加快培育布局第三代半導體產業。《國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》， “集成電路”領域特別提出碳化矽、氮化镓等寬禁帶半導體即第三代半導體要取得發展。工信部將碳化矽(SiC)複合材料、碳基複合材料等納入“十四五”產業科技創新相關發展規劃。

科研專利

根據2021年10月8日的專利檢索，全球涉及氮化镓(GaN)和碳化矽(SiC)的半導體領域相關專利共計23738項。中國大陸共布局專利5232項，美國布局專利2772項。(下圖 eet-china)

美國重點申請人中80%為企業，頭三名包括：克裏(Cree)公司299項、通用電氣(GE)132項、以及國際商業機器公司(IBM)111項為申請人。加州大學以及北卡羅來納州立大學為入圍申請人前10的兩所高校(下圖 1 eet-china)。大陸重點申請人前10中，60%的創新主體為高校及科研院所，這表明該技術領域在大陸仍處於研發階段，距離實際落地應用尚有一定距離。大陸申請人中的企業較少，僅有4家，分別為華燦光電(HC SEMITEK)、深圳方正微電子(FounderIC)、北大方正集團(FOUNDER)以及三安集成電路(Sanan Integrated Circuit Co.)。其中華燦光電共布局專利212項，僅略低於美國重點申請人榜首的克裏公司(下圖 2 eet-china)。

重點來了，魔鬼藏在細節裏 -- 美國超90%涉及氮化镓(GaN)和碳化矽(SiC)的半導體相關專利同時在國內和國際申請。而大陸85%的專利僅在本土申請，這在一定程度上說明大陸在該領域專利申請存在質量不高的問題。

未完待續

參考資料

江洪, 劉義鶴, 張曉丹. (2017). 國外第三代半導體材料項目國家支持行動初探 | 第三代半導體帶來的機遇與挑戰. 搜狐. 鏈接 https://www.sohu.com/a/211296421_465915

添味財經. (2021). 全力發展第三代半導體，解決卡脖子難關. 格隆匯. 鏈接  https://m.gelonghui.com/p/464372

IPRdaily中文網. (2021). 中美第三代半導體材料技術對比. 今日半導體. 鏈接  https://www.eet-china.com/mp/a82521.html

Lapedus, M. (2021). China Accelerates Foundry, Power Semi Efforts. Semiconductor Engineering. 鏈接 https://semiengineering.com/china-accelerates-foundry-power-semi-efforts/

Lina. (2021). 芯征程 | 5G、快充、新能源，「第三代半導體」加速彎道超車. 36Kr. 鏈接  https://www.36kr.com/p/1273570786395905

TrendForce Blog. (2021). An Overview of China’s Third-Generation Semiconductor Industry in a Global Context. LEDinside. 鏈接 https://www.ledinside.com/node/32082

[國華P]

回複 '梅華書香' 的評論 : 謝謝。同賀。願新的一年天下太平，疫情不再。

祝節日快樂，吉祥如意，闔家幸福！！

[梅華書香]

祝節日快樂，吉祥如意，闔家幸福！！

[國華P]

回複 'cn_abcd' 的評論 :謝謝，很好的建議。

"數據很詳細，不錯。如果能分析這些專利的重要性及必要性就更好了。"

[cn_abcd]

數據很詳細，不錯。如果能分析這些專利的重要性及必要性就更好了