第三代/类半导体美国VS大陆 (上)

第三代半导体，台湾称之为第三类半导体，实际上是指两种现有和常见的功率半导体器件类型：氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC) (下图 Google Images)。氮化镓(GaN)具有高电子迁移率和高电子饱和速度特性，适合高速和高功率元件，比较典型的应用场景是下一代无线通讯系统。如小米、华为、OPPO等手机企业所推出的60W、65W，甚至100W、120W快充技术，就是基于GaN材料打造的。而碳化硅(SiC)则耐高温及耐高压，适合太阳能逆变器、工业电源以及新能源汽车主控电路。

以第三代/类半导体衬底的芯片，其物理尺寸可得到显著减小，且外围电路设计也得以简化，从而进一步减小模块、外围组件和冷却系统的尺寸。因此，碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)已经成为全球半导体工业的重要战略重点。

制约第三代/类半导体发展的主要因素就是制备氮化镓(GaN)，尤其是碳化硅(SiC)基板 (下图 i-MicroNews)。由于全球性的生产能力缺乏，谁能打破瓶颈，掌握碳化硅衬底供应的能力，谁就在半导体工业中具有更大的影响力。对于渴望突破美国(在第一/二代半导体)封锁的中国大陆来说，市场方兴未艾的第三代/类半导体提供了一个突破封锁，弯道超车的绝佳机会。于是，大陆在人员、资金、政策方面大力支持对第三代/类半导体材料的研究与开发。本文综述最早研发出第三代/类半导体的科技强国美国与极力赶超的中国大陆在第三代/类半导体的政策、研发和生产的现状。

国家政策

美国 2002年，国防先进研究计划局(DARPA)启动并实施了“宽禁带半导体技术计划(WBGSTI)”。推动对碳化硅(SiC)衬底的研究。2010年，美国推出“宽代半导体技术创新计划”，主要推动高性能碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)材料应用与各种商用系统的开发。2011年，国防先进研究计划局(DARPA)及其微系统技术办公室(Microsystems Technology Office)赞助并发起了氮化物电子下一代技术(Nitride Electronic NeXt Generation Technology，NEXT) (下图 HIR)计划，推动氮化镓(GaN)材料在高频领域的应用。2012年美国提出《国家制造也创新网络(NNMI)》，要建成3家设计第3代/类半导体研发机构。2013年，美国能源先期研究计划局(ARPA-E)提出了《控制高效系统的宽禁带半导体低成本晶体管战略(SWITCHES)》，开发下一代功率转换器件。2014年7月提出：开启美国“下一代电力电子技术国家制造业创新中心”的建设。2015年，国家科学基金会和能源部对阿肯色大学国家可靠电力传输中心的碳化硅(SiC)技术项目提供了资助，重点在开发电力系统中的碳化硅(SiC)电路。2016年2月能源部建立固态照明研发工作室，确定了以宽禁带半导体技术为基础，提高光效、消除使用的障碍、降低成本,并且驱动、优先考虑特定技术研发的应用。

中国大陆 2016年，大陆推出《国务院关于印发“十三五”国家科技创新规划的通知》(下图 百度百科)，首次提及加快第三代半导体芯片技术与器件的研发。2019年，工信部印发《重点新材料首批次应用示范指导目录》，其中氮化镓(GaN)单晶衬底、功率器件用氮化镓(GaN)外延片、碳化硅(SiC)外延片，碳化硅(SiC)单晶衬底等第三代半导体产品进入目录。2019年，国务院《长江三角洲区域一体化发展规划纲要》要求加快培育布局第三代半导体产业。《国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》， “集成电路”领域特别提出碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体即第三代半导体要取得发展。工信部将碳化硅(SiC)复合材料、碳基复合材料等纳入“十四五”产业科技创新相关发展规划。

科研专利

根据2021年10月8日的专利检索，全球涉及氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)的半导体领域相关专利共计23738项。中国大陆共布局专利5232项，美国布局专利2772项。(下图 eet-china)

美国重点申请人中80%为企业，头三名包括：克里(Cree)公司299项、通用电气(GE)132项、以及国际商业机器公司(IBM)111项为申请人。加州大学以及北卡罗来纳州立大学为入围申请人前10的两所高校(下图 1 eet-china)。大陆重点申请人前10中，60%的创新主体为高校及科研院所，这表明该技术领域在大陆仍处于研发阶段，距离实际落地应用尚有一定距离。大陆申请人中的企业较少，仅有4家，分别为华灿光电(HC SEMITEK)、深圳方正微电子(FounderIC)、北大方正集团(FOUNDER)以及三安集成电路(Sanan Integrated Circuit Co.)。其中华灿光电共布局专利212项，仅略低于美国重点申请人榜首的克里公司(下图 2 eet-china)。

重点来了，魔鬼藏在细节里 -- 美国超90%涉及氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)的半导体相关专利同时在国内和国际申请。而大陆85%的专利仅在本土申请，这在一定程度上说明大陆在该领域专利申请存在质量不高的问题。

未完待续

参考资料

江洪, 刘义鹤, 张晓丹. (2017). 国外第三代半导体材料项目国家支持行动初探 | 第三代半导体带来的机遇与挑战. 搜狐. 链接 https://www.sohu.com/a/211296421_465915

添味财经. (2021). 全力发展第三代半导体，解决卡脖子难关. 格隆汇. 链接  https://m.gelonghui.com/p/464372

IPRdaily中文网. (2021). 中美第三代半导体材料技术对比. 今日半导体. 链接  https://www.eet-china.com/mp/a82521.html

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

Lina. (2021). 芯征程 | 5G、快充、新能源，「第三代半导体」加速弯道超车. 36Kr. 链接  https://www.36kr.com/p/1273570786395905

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

[国华P]

回复 '梅华书香' 的评论 : 谢谢。同贺。愿新的一年天下太平，疫情不再。

祝节日快乐，吉祥如意，阖家幸福！！

[梅华书香]

祝节日快乐，吉祥如意，阖家幸福！！

[国华P]

回复 'cn_abcd' 的评论 :谢谢，很好的建议。

"数据很详细，不错。如果能分析这些专利的重要性及必要性就更好了。"

[cn_abcd]

数据很详细，不错。如果能分析这些专利的重要性及必要性就更好了