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智庫建議

董亞秋 許有志 | 多措并舉 加快實現(xiàn)寬禁帶半導(dǎo)體高端原材料及裝備自主可控
發(fā)布日期:2020-08-21 作者:董亞秋 許有志 信息來源:中咨智庫 訪問次數(shù): 字號:[ ]

近年來,以氮化鎵、碳化硅等寬禁帶化合物為代表的第三代半導(dǎo)體材料迅速發(fā)展,其適用于高溫、高功率、高頻以及高輻射等惡劣條件,已成為新一代信息技術(shù)、能源互聯(lián)網(wǎng)、新能源汽車、國防安全的關(guān)鍵材料,是西方對我技術(shù)封鎖的重中之重。近期,美國產(chǎn)業(yè)與安全局延長并升級對華為供應(yīng)鏈禁令,規(guī)定只要芯片代工廠采用美國的技術(shù)和設(shè)備為華為代工芯片,一律要先取得美政府同意?!锻呱{協(xié)定》擴大半導(dǎo)體出口管制范圍以及日韓半導(dǎo)體材料之爭均警示我們應(yīng)加快突破寬禁帶半導(dǎo)體高端原材料和裝備瓶頸,加強自主可控保障力度,助力我半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)“彎道超車”。

我寬禁帶半導(dǎo)體面臨發(fā)達國家日趨嚴(yán)峻的技術(shù)封鎖

當(dāng)前,5G 通信技術(shù)、新能源汽車推廣以及光電應(yīng)用推動寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展,各國積極開展戰(zhàn)略部署,通過建立創(chuàng)新中心、聯(lián)合研發(fā)等方式,加大產(chǎn)學(xué)研政協(xié)同組織和投入,推進產(chǎn)品級開發(fā)和終端應(yīng)用,形成了美歐日三足鼎立的產(chǎn)業(yè)布局,其中美國憑借科銳、道康寧等國際巨頭,居于領(lǐng)導(dǎo)地位,占有全球碳化硅產(chǎn)量的70—80%。而隨著中美貿(mào)易爭端加劇,美不斷加大對我寬禁帶半導(dǎo)體材料技術(shù)封鎖。美外資投資委員會以“國家安全”為由封殺了多起中資參與的并購案,包括我產(chǎn)業(yè)基金對美、德半導(dǎo)體材料設(shè)備企業(yè)的收購。

三大瓶頸制約我寬禁帶半導(dǎo)體材料自主可控

我寬禁帶半導(dǎo)體材料研發(fā)始于2004年,發(fā)展至今在國際仍處于產(chǎn)業(yè)跟跑階段,關(guān)鍵核心技術(shù)亟待突破。當(dāng)前,寬禁帶半導(dǎo)體在電力電子和射頻器件領(lǐng)域面臨重要窗口期,國際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)巨頭尚未對行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)形成完全壟斷,在政策和市場雙重推動下,我國寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展正當(dāng)時。但工業(yè)基礎(chǔ)薄弱、產(chǎn)業(yè)化滯后、產(chǎn)業(yè)生態(tài)不完善始終制約我寬禁帶半導(dǎo)體材料實現(xiàn)自主可控,表現(xiàn)為三大瓶頸:

高端原材料、關(guān)鍵技術(shù)裝備遭“卡脖子”

部分籽晶、高純碳粉、高純氣體等原材料,石墨坩堝、碳基保溫材料等生產(chǎn)物料主要依賴進口,存在被國外壟斷、禁運的風(fēng)險。生產(chǎn)設(shè)備國產(chǎn)化率不高,如單晶爐主要由美國科銳、德國愛思強、日本三菱供貨,研磨機、拋光機、外延爐等生產(chǎn)裝備,微觀分析儀器等檢測設(shè)備也主要依賴進口。

工藝技術(shù)差距制約質(zhì)量提升

國內(nèi)企業(yè)在制備碳化硅晶圓的技術(shù)工程化過程中仍存在提純、控溫、切割拋光等工藝技術(shù)難題,同時分析檢測手段相對不足,微觀特性差距嚴(yán)重影響晶體材料的質(zhì)量和性能,導(dǎo)致質(zhì)量不及國外,成本較高,器件企業(yè)不敢用,國產(chǎn)化替代難。

國外產(chǎn)業(yè)生態(tài)壁壘難以打破

國內(nèi)碳化硅材料企業(yè)規(guī)模較小,如北京天科合達半導(dǎo)體公司2—4英寸碳化硅晶圓的產(chǎn)能僅7萬片/年,而領(lǐng)域代表性企業(yè)美國科銳的產(chǎn)能按6英寸折算約為80萬—100萬片/年,約占全球市場的80%。此外,國外半導(dǎo)體材料研發(fā)投入比國內(nèi)早近 20年,市場占有率較高,導(dǎo)致國內(nèi)器件企業(yè)的研發(fā)大都建立在國外晶圓的基礎(chǔ)上。而國內(nèi)半導(dǎo)體材料企業(yè)由于初期難以得到下游器件企業(yè)的技術(shù)反饋,質(zhì)量提升較慢。

3幾點建議

聚焦高端原材料、制備及檢測裝備短板,突破關(guān)鍵核心技術(shù)

應(yīng)充分發(fā)揮材料、工藝和裝備一體化優(yōu)勢,盡快突破大尺寸、高性能單晶襯底產(chǎn)業(yè)化技術(shù),結(jié)合產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要,開發(fā)先進的國產(chǎn)化工藝裝備和材料,以滿足寬禁帶半導(dǎo)體高速發(fā)展的需求。

以應(yīng)用為導(dǎo)向,建立“技術(shù)供給與市場拉動一體化”的試點示范組織實施機制

制定包括技術(shù)集成、產(chǎn)品應(yīng)用、商業(yè)模式、工程監(jiān)管、標(biāo)準(zhǔn)檢測等在內(nèi)的系統(tǒng)化、集成化實施方案,重點開展面向電動汽車、新能源與能源互聯(lián)網(wǎng)、5G 通信以及智能照明等重點領(lǐng)域的試點示范。

推動央企在寬禁帶半導(dǎo)體材料技術(shù)領(lǐng)域開展聯(lián)合攻關(guān)

當(dāng)前,多家中央企業(yè)均積極布局寬禁帶半導(dǎo)體材料研發(fā)與應(yīng)用。建議主管部門統(tǒng)籌整合上下游央企科研力量,給予資金支持和政策傾斜,圍繞寬禁帶半導(dǎo)體材料制備工藝技術(shù)和設(shè)備開展聯(lián)合攻關(guān),加快實現(xiàn)我寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)自主可控。

鼓勵民營、外資企業(yè)投資半導(dǎo)體制造業(yè)

鼓勵發(fā)展寬禁帶半導(dǎo)體專用材料及器件生產(chǎn)線,尤其針對有半導(dǎo)體行業(yè)經(jīng)驗的大型企業(yè)集團。應(yīng)用方面建議從對可靠性要求相對較低的消費級電子產(chǎn)業(yè)、對寬禁帶半導(dǎo)體器件有剛性需求的產(chǎn)業(yè)(如光伏逆變器、5G 通信)、受政策導(dǎo)向影響較大的產(chǎn)業(yè)(如充電樁)等逐步切入市場。

企業(yè)最大限度利用海外成熟技術(shù)和人才

建議針對美、日等對我封鎖嚴(yán)格的國家,可通過人才和技術(shù)引進,或者在當(dāng)?shù)卦O(shè)研發(fā)中心的方式獲得技術(shù)資源。針對歐洲和俄羅斯,可考慮尋找中小規(guī)模材料或器件企業(yè)整體并購或團隊整體引進的方式獲得合作。

注釋:固體中電子的能量具有不連續(xù)的量值,電子都分布在一些相互之間不連續(xù)的能帶上。價電子所在能帶與自由電子所在能帶之間的間隙稱為禁帶或帶隙。所以禁帶的寬度實際上反映了被束縛的價電子要成為自由電子所必須額外獲得的能量。硅的禁帶寬度為1.12電子伏特(eV),而寬禁帶半導(dǎo)體材料是指禁帶寬度在2.3eV及以上的半導(dǎo)體材料,典型的是碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)、金剛石等材料。




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