先進(jìn)電子材料領(lǐng)域“卡脖子”技術(shù)的研判與對(duì)策分析

摘要：以“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃戰(zhàn)略性先進(jìn)電子材料重點(diǎn)專項(xiàng)實(shí)施方案與績(jī)效評(píng)價(jià)為基礎(chǔ)，根據(jù)“卡脖子”技術(shù)的基本屬性，總結(jié)分析“卡脖子”技術(shù)的研判方法，梳理和分析第三代半導(dǎo)體材料、新型顯示、大功率激光材料與器件、高端光電子與微電子材料等四個(gè)方向存在的“卡脖子”技術(shù)典型案例，并初步探討“十四五”期間破解先進(jìn)電子材料領(lǐng)域“卡脖子”技術(shù)的對(duì)策。

近年來(lái)，隨著中美貿(mào)易關(guān)系惡化，逆全球化趨勢(shì)漸顯。美國(guó)及西方國(guó)家對(duì)我國(guó)關(guān)鍵核心技術(shù)的斷供清單越來(lái)越多，對(duì)我國(guó)的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的生存和發(fā)展形成巨大的威脅。關(guān)于“卡脖子”問題，***總書記高度關(guān)注。早在 2013 年就指出：“要采取‘非對(duì)稱’戰(zhàn)略，更好發(fā)揮自己的優(yōu)勢(shì)，在關(guān)鍵領(lǐng)域、卡脖子的地方下大功夫?！?/p>

本文嘗試在對(duì)“卡脖子”技術(shù)的內(nèi)涵與識(shí)別方法進(jìn)行分析歸納的基礎(chǔ)上，研判并分析第三代半導(dǎo)體材料與半導(dǎo)體照明、新型顯示、大功率激光材料與器件、高端光電子與微電子材料四個(gè)方向的“卡脖子”技術(shù)，并從國(guó)家政策、科技計(jì)劃部署等方面初步探討“十四五”時(shí)期破解先進(jìn)電子材料領(lǐng)域“卡脖子”技術(shù)的對(duì)策。 1

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先進(jìn)電子材料領(lǐng)域“卡脖子”技術(shù)研判與分析

可以將我國(guó)先進(jìn)電子材料領(lǐng)域?qū)ξ鞣絿?guó)家的“卡脖子”技術(shù)分為三種不同的依賴程度。

一是必須使用國(guó)外技術(shù)，我們完全不掌握且沒有可替代的技術(shù)。一旦被“卡脖子”，依賴這些關(guān)鍵技術(shù)、原材料或零部件生產(chǎn)的企業(yè)會(huì)直接帶來(lái)產(chǎn)業(yè)鏈斷裂的后果。

二是西方發(fā)達(dá)國(guó)家掌握核心技術(shù)、具有很大的產(chǎn)品性能和占領(lǐng)市場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)，能夠在關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)上對(duì)我國(guó)的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)安全造成嚴(yán)重影響。而我們具有較好的研發(fā)基礎(chǔ)，但沒有形成生產(chǎn)力，通過組織集中攻關(guān)能夠制造出替代品，或者擁有在一定程度上降低終端產(chǎn)品的性能的替代品，就可以在較短時(shí)間內(nèi)解決產(chǎn)業(yè)安全問題。

三是我們擁有替代技術(shù)，只是由于知識(shí)產(chǎn)權(quán)束縛或市場(chǎng)原因沒有進(jìn)行生產(chǎn)性驗(yàn)證，這類技術(shù)只要完成產(chǎn)品生產(chǎn)工藝中的匹配性驗(yàn)證，就能迅速成為替代品，這種情況對(duì)我國(guó)產(chǎn)業(yè)的威脅是有限的。

按照“卡脖子”技術(shù)基本屬性、技術(shù)方向與研發(fā)生產(chǎn)要素三個(gè)維度，對(duì)先進(jìn)電子材料“卡脖子”技術(shù)進(jìn)行研判，梳理出四個(gè)方向的“卡脖子”技術(shù)典型案例，如下圖所示。

1 第三代半導(dǎo)體材料

第三代半導(dǎo)體材料是電力電子器件、射頻功率器件、半導(dǎo)體照明等技術(shù)的“核芯”，屬于戰(zhàn)略必爭(zhēng)的高新技術(shù)，其優(yōu)越的性能和在國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防安全、社會(huì)民生等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，成為國(guó)際社會(huì)科技競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)之一。當(dāng)前，我國(guó)已建和在建全球最快運(yùn)營(yíng)速度、最長(zhǎng)運(yùn)營(yíng)里程、最佳效益的高速軌道交通。然而，決定著上述高端裝備的關(guān)鍵性能的核心芯片及其材料都被國(guó)外公司壟斷，其中涉及功率處理單元的功率芯片大部分都依靠進(jìn)口。一旦國(guó)外對(duì)我們進(jìn)行技術(shù)封鎖和芯片、材料禁運(yùn)，我國(guó)高速軌道交通的發(fā)展將受到嚴(yán)重制約。高導(dǎo)電型碳化硅單晶襯底材料和中低摻雜、厚外延碳化硅外延材料是高速列車電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置的關(guān)鍵核心材料。國(guó)際上碳化硅（SiC）外延片目前已實(shí)現(xiàn)了6英寸的大批量商業(yè)化產(chǎn)品，8英寸產(chǎn)品也已出現(xiàn)。目前已經(jīng)開發(fā)出低缺陷密度6英寸 SiC N 型襯底，微管密度（MPD）低于 1 個(gè) /cm2。SiC 外延片方面，實(shí)際用于器件生產(chǎn)的 N 型外延片的最大厚度約 50μm( 研發(fā)厚度 150μm 以上 )，而 P 型外延片仍然處于研發(fā)階段，研發(fā)的最大厚度達(dá)到 150μm，少數(shù)載流子壽命提高至 6.5μs。在國(guó)內(nèi)，SiC 襯底仍然以4英寸為主，已實(shí)現(xiàn)微管缺陷密度低于 1 個(gè)/cm2，6英寸襯底已開始小批量供貨。國(guó)內(nèi)已開始小批量生產(chǎn)6英寸 SiC 外延片 , 表面缺陷密度和位錯(cuò)缺陷密度仍然較高，有待進(jìn)一步降低。實(shí)際用于器件生產(chǎn)的 N 型外延片的最大厚度約 30μm( 研發(fā)厚度約 100μm)，而 P 型外延片仍然處于研發(fā)階段，研發(fā)的最大厚度僅 30μm，且少數(shù)載流子壽命僅 1μs。5G 通信基站及終端對(duì)6英寸高純半絕緣 SiC 襯底材料有迫切需求，國(guó)外嚴(yán)格禁運(yùn)。美國(guó) CREE 公司為全球最先進(jìn)的 SiC 襯底生產(chǎn)商，該公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)6英寸高純半絕緣 SiC 襯底商業(yè)化批量生產(chǎn)，另外美國(guó) II-VI 公司也實(shí)現(xiàn)6英寸摻雜半絕緣 SiC 襯底的批量生產(chǎn)。SiC 襯底材料是未來(lái)新能源和 5G通信領(lǐng)域中 GaN 器件的基石，被卡后影響 SiC 襯底GaN HEMT 材料的生長(zhǎng)和發(fā)展，SiC 襯底 GaN HEMT材料主要用于 GaN 射頻器件的制造，應(yīng)用在 5G 宏基站、毫米波小基站、相控陣?yán)走_(dá)及微波通信領(lǐng)域，被卡后會(huì)延緩 5G 基站的建設(shè)速度和行業(yè)的發(fā)展速度。國(guó)內(nèi)起步較晚，跟國(guó)外相比差距較大，近幾年在各方的努力下，取得了較大的進(jìn)步。山東天岳、山西爍科、河北同光、天科合達(dá)已經(jīng)開展 6 英寸高純半絕緣 SiC 襯底材料的研究工作，實(shí)現(xiàn)少量樣品加工，距離大規(guī)模生產(chǎn)還有一定的差距。

2新型顯示

新型顯示產(chǎn)業(yè)是我國(guó)全面推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng) +”國(guó)家戰(zhàn)略的基礎(chǔ)硬件設(shè)施保證，我國(guó)尚未完全掌握超高清成像芯片材料器件前端技術(shù)及其相關(guān)的產(chǎn)品，如發(fā)光材料、控制芯片、工藝裝備等方面。如果掌握這些技術(shù)和產(chǎn)品的國(guó)家及相應(yīng)的廠商不準(zhǔn)或不愿意提供或銷售給中國(guó)，將嚴(yán)重影響我國(guó)顯示全產(chǎn)業(yè)鏈安全。以蒸鍍有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）紅綠藍(lán)發(fā)光材料為例，全球蒸鍍 OLED 材料的專利基本被韓、美、德、日等國(guó)家企業(yè)所掌控，知名企業(yè)包括UDC、 陶 氏 化 學(xué)、 出 光 興 產(chǎn)、Merck、SDI、LG 化學(xué)、SFC、德山等，蒸鍍紅、藍(lán)、綠三種顏色的蒸鍍 OLED 發(fā)光材料均已量產(chǎn)，并實(shí)現(xiàn)全色顯示。OLED 載流子注入、傳輸材料生產(chǎn)主要還集中在韓國(guó)、日本、德國(guó)和美國(guó)廠商手中，主要為德山金屬、LG 化學(xué)、三星 SDI、日本東麗、保土谷化學(xué)、默克、陶氏化學(xué)、JNC 等，這些廠商經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)形成了較完整的產(chǎn)業(yè)鏈，基本上都有對(duì)口合作的、穩(wěn)定的 OLED 前段材料供應(yīng)商。我國(guó) OLED 材料企業(yè)以仿制或者技術(shù)含量較低的中間體和單粗體產(chǎn)品為主，供應(yīng)給韓國(guó)、日本、美國(guó)、德國(guó)廠商，蒸鍍 OLED 紅綠藍(lán)發(fā)光材料和載流子注入、傳輸材料嚴(yán)重依賴進(jìn)口。一旦國(guó)外限制出口，會(huì)引發(fā)國(guó)內(nèi)新型顯示產(chǎn)業(yè)危機(jī)，嚴(yán)重威脅新型顯示產(chǎn)業(yè)的安全發(fā)展。鼎材科技、三月光電、奧來(lái)德、華睿、阿格蕾雅、瑞聯(lián)、惠成、西安瑞聯(lián)等已開展相關(guān)材料自主研發(fā)，已經(jīng)部分突破蒸鍍OLED 材料國(guó)外專利的封鎖。

3大功率激光材料與器件

激光材料與器件具有重要的戰(zhàn)略意義并可支撐高端先進(jìn)制造，應(yīng)用于壓縮脈寬器件（半導(dǎo)體可飽和吸收鏡）和激光器泵浦源半導(dǎo)體激光材料仍是“卡脖子”技術(shù)。國(guó)外深入研究了InGaAs 可飽和吸收材料載流子動(dòng)力學(xué)，開發(fā)了低溫生長(zhǎng)，摻雜，質(zhì)子轟擊，離子注入，缺陷誘導(dǎo)等一系列有效減小 InGaAs材料載流子壽命的技術(shù)，獲得載流子壽命 <500fs 的InGaAs 材料，有效實(shí)現(xiàn)飛秒級(jí)激光脈沖輸出。優(yōu)勢(shì)單位有德國(guó) BATOP 公司、瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院、芬蘭坦佩雷理工大學(xué)、新加坡南洋理工大學(xué)。中科院半導(dǎo)體所成功研制了 InGaAs 可飽和吸收材料，獲得脈沖寬度 <10ps 的超快激光脈沖。因國(guó)內(nèi)起步晚，研究單位少，InGaAs 可飽和吸收材料性能與國(guó)外有較大差距，以跟蹤仿制為主，因此國(guó)內(nèi)超快激光器制造商普遍采用德國(guó)BATOP公司的產(chǎn)品作為鎖模器件。如果德國(guó) BATOP 公司停止為我國(guó)供應(yīng) InGaAs 可飽和吸收材料的 SESAM 器件，我國(guó)超快激光器制造商將無(wú)鎖模器件可用，很可能造成生產(chǎn)停滯。近年來(lái)，國(guó)外針對(duì)大功率 808nm 垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）材料的研究持續(xù)展開。通過頂發(fā)射結(jié)構(gòu)、襯底去除和串聯(lián)封裝等工作改善了 808nmVCSEL 材料的熱特性，實(shí)現(xiàn)了最大光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到 50% 和 kW 級(jí)的峰值輸出功率，有效的提高了材料對(duì)固態(tài)激光器的泵浦效率。國(guó)內(nèi)對(duì)大功率 808nmVCSEL 材料的研究起步較晚，目前只有中科院半導(dǎo)體所、中科院長(zhǎng)春光機(jī)所等少數(shù)科研單位開展了相關(guān)研究，研究主要集中在有源區(qū)的理論設(shè)計(jì)和大口徑的單管 VCSEL 和小型陣列研究方面，對(duì)于可實(shí)用的大尺寸 VCSEL 二維陣列研究亟待推進(jìn)。由于大功率 808nm VCSEL 材料是作為緊湊化固態(tài)激光器泵浦源的關(guān)鍵材料。缺乏相關(guān)的研制能力會(huì)導(dǎo)致我國(guó)在武器裝備，電子對(duì)抗，空間及深海激光通信等領(lǐng)域缺少重要的研發(fā)材料。?

4 高端光電子與微電子材料

高端光電子與微電子材料是發(fā)展下一代互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)與人工智能的關(guān)鍵材料。高純度稀土材料等器件很多還依賴進(jìn)口。專項(xiàng)在 CMP 拋光材料、光刻膠、電子封裝材料、高純超凈試劑、特種氣體、印刷線路板材料及配套化學(xué)品、液晶及配套材料等高端電子化學(xué)品方面仍投入不足，高端電子化學(xué)品被譽(yù)為精細(xì)化工皇冠上的明珠，但生產(chǎn)工藝要求高，材料純度最高為 G5 級(jí)，我國(guó)產(chǎn)品質(zhì)量處于 G2、G3 級(jí)，市場(chǎng)基本被國(guó)外壟斷，是影響我國(guó)集成電路和其它半導(dǎo)體器件等支柱產(chǎn)業(yè)的重要材料。傳感器是人類獲取自然和生產(chǎn)領(lǐng)域中信息的主要途徑與手段，是當(dāng)前推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)各領(lǐng)域從數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化向智能化加速躍升所必須的物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)器件。與歐美、日韓等傳感器設(shè)計(jì)與制造強(qiáng)國(guó)相比，我國(guó)對(duì)于硅基薄膜傳感器材料的研究投入較少，嚴(yán)重制約了低功耗、高可靠、高性能、易于集成的傳感器的發(fā)展，限制了移動(dòng)智能終端的大數(shù)據(jù)獲取能力。隨著人工智能技術(shù)持續(xù)創(chuàng)新與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的深度融合，人工智能產(chǎn)業(yè)已上升為國(guó)家戰(zhàn)略，智能傳感器正成為各個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家競(jìng)相角逐的技術(shù)高點(diǎn)之一。我國(guó)在硅基成像芯片、壓力和溫度傳感器的敏感材料和制備工藝自主研發(fā)能力較強(qiáng)，結(jié)合人工智能算法技術(shù)的突破，在人工視覺、聽覺和觸覺系統(tǒng)的性能已達(dá)到甚至超越了人類，但針對(duì)生物、化學(xué)分子檢測(cè)的硅基傳感器尚未取得規(guī)模化應(yīng)用，生化敏感材料基礎(chǔ)理論和晶圓級(jí)硅基兼容制造技術(shù)與國(guó)外相比起步較晚。由于生化傳感器芯片是事關(guān)國(guó)家安全和人民生命健康的戰(zhàn)略性基礎(chǔ)元器件和關(guān)鍵核心技術(shù)，一旦國(guó)外封鎖禁運(yùn)，將導(dǎo)致我國(guó)在人工智能對(duì)抗中處于不利局面。 1

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先進(jìn)電子材料領(lǐng)域“卡脖子”技術(shù)對(duì)策分析

電子材料行業(yè)內(nèi)的“卡脖子”問題。既有政策技術(shù)原因，也有社會(huì)經(jīng)濟(jì)層面的因素，因此，在“卡脖子”技術(shù)的攻克上要充分發(fā)揮我國(guó)社會(huì)主義制度優(yōu)勢(shì)，整合國(guó)內(nèi)資源，作出優(yōu)先部署，集中力量對(duì)“卡脖子”技術(shù)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)突破；同時(shí)也要徹底解決“卡脖子”的根源—基礎(chǔ)理論研究薄弱。

（1）建立以高校和研究院所為主體的電子材料創(chuàng)新研究體系。高校應(yīng)當(dāng)發(fā)揮學(xué)科門類齊全、科技人才聚集、基礎(chǔ)研究厚實(shí)等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，努力瞄準(zhǔn)世界科技前沿，加強(qiáng)對(duì)關(guān)鍵共性技術(shù)、前沿引領(lǐng)技術(shù)、現(xiàn)代工程技術(shù)、顛覆性技術(shù)的攻關(guān)創(chuàng)新，在服務(wù)國(guó)家實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵核心技術(shù)自主可控、牢牢掌握自主創(chuàng)新主動(dòng)權(quán)方面擔(dān)當(dāng)重要責(zé)任。

（2）建立以具有國(guó)家責(zé)任的企業(yè)為主導(dǎo)的電子材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)共同體。不論是在計(jì)劃經(jīng)濟(jì)時(shí)期，還是社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)時(shí)期，企業(yè)都是政府有效參與經(jīng)濟(jì)建設(shè)與治理的重要組織載體，是新時(shí)代推動(dòng)國(guó)家治理體系與治理能力現(xiàn)代化的重要微觀主體。

（3）建立以科研院所、高校和企業(yè)深度融合的關(guān)鍵核心技術(shù)聯(lián)合研發(fā)機(jī)制。在部分具備商業(yè)化前景的關(guān)鍵領(lǐng)域，大力實(shí)施軍民協(xié)同戰(zhàn)略，采取項(xiàng)目制的形式，推動(dòng)形成以軍工企業(yè)和大型國(guó)有企業(yè)主導(dǎo)、民營(yíng)企業(yè)參與等融通創(chuàng)新的新模式，組建面向“高效 + 研究院所 + 企業(yè)”的創(chuàng)新聯(lián)合體。

（4）構(gòu)建面向電子材料“卡脖子”技術(shù)的強(qiáng)協(xié)同與弱耦合的創(chuàng)新生態(tài)圈。通過努力實(shí)現(xiàn)國(guó)有企業(yè)和民營(yíng)企業(yè)之間的產(chǎn)業(yè)鏈、創(chuàng)新鏈、價(jià)值鏈的分工協(xié)作體系，建構(gòu)面向多類創(chuàng)新主體、創(chuàng)新要素與創(chuàng)新機(jī)制協(xié)同耦合的創(chuàng)新共同體。 1

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總結(jié)

本文立足于先進(jìn)電子材料領(lǐng)域，對(duì)第三代半導(dǎo)體材料與半導(dǎo)體照明、新型顯示、大功率激光材料與器件、高端光電子與微電子材料四個(gè)主要方向的“卡脖子”技術(shù)進(jìn)行了分析。首先，闡述了“卡脖子”技術(shù)的特征及內(nèi)涵；其次，提出了一系列完善的“卡脖子”技術(shù)識(shí)別方法及步驟，并利用此方法對(duì)電子材料領(lǐng)域的技術(shù)性問題進(jìn)行了整理歸納；隨后，又分別針對(duì)材料、工藝、器件、裝備、軟件這五個(gè)方面的典型“卡脖子”技術(shù)問題，分析了國(guó)內(nèi)外的現(xiàn)狀以及差距；最后，從政策建議、科技計(jì)劃部署、高校、企業(yè)及研究所等多個(gè)層面提出了建議和措施，并分析了預(yù)期的成果。本文旨在探索“卡脖子”技術(shù)問題的攻關(guān)和突破的路徑，為我國(guó)能在“十四五”的新征程中搶占世界科技創(chuàng)新的制高點(diǎn)提供策略和指引。