2022关键新材料技术及创新生态发展图景研究报告

1 Chapter 1 先进半导体材料第三代半导体材料“超越摩尔定律”，成为半导体产业新的发展重心04Chapter 2 新型锂电材料锂电材料产业生态逐渐成熟，低成本、高性能、高安全性成为主要发展方向20Chapter 3 氢能材料新兴清洁能源载体，突破氢能关键材料瓶颈是产业发展的关键3954版权说明序言03040303 什么是关键新材料？新材料是指新近发展或正在发展的、具有优异性能的结构材料和有特殊性质的功能材料。在当前新一代信息技术、新能源、智能制造等新兴产业迅速崛起的背景下，叠加中国“双碳”目标对新材料市场需求的拉动，部分处于产业链关键位置、环节的新材料地位愈加凸显，这里将它们称作关键新材料。2022 年正值中国产业升级与“双碳”政策推进的关键阶段，半导体和新能源行业再度成为关注的焦点。能否在这两个领域取得突破一定程度上决定了产业升级和“双碳”政策的落地进程。产业升级先锋，先进半导体材料位置突出。随着第四次工业革命到来，大量新技术需要依靠芯片来实现，但在过去的几十年间，中国的半导体材料过度依赖进口，无法自给自足的半导体产业限制了中国信息技术产业的发展。先进半导体材料作为信息技术产业的基石，在国际局势愈加动荡的背景下，其供需矛盾日益凸显，在诸多关键新材料中的地位也逐渐突出。“双碳”目标下新能源材料重要性凸显：锂离子电池材料需求猛增，氢能材料蓄势待发。随着中国“双碳”目标从战略到落地，各行业开始施行减碳措施，碳排放占全中国终端碳排放 15% 的交通领域势必要率先做出改革。使用电能、氢能代替传统化石能源的新能源汽车是交通领域减碳的首选方案。目前已经广泛使用的锂离子电池和极具应用前景的氢燃料电池是新能源汽车的核心，其材料发展决定了中国新能源汽车产业的进步，地位的重要性显而易见。本报告聚焦先进半导体材料、新型锂电材料和氢能材料三个领域，以关键新材料前沿技术为基础，从产业发展的驱动力出发，呈现中国产业发展图景，绘制研究体系图谱，以飨读者。序言3 •第三代半导体材料战略性、先导性地位凸显•中国第三代半导体材料技术与全球先进水平缩小、产业集聚态势正在形成•中国第三代半导体技术创新生态发展迅速及未来展望4先进半导体材料Chapter 1 第三代半导体材料，指带隙宽度明显大于 Si（1.1eV）和 GaAs（1.4eV）的宽禁带半导体材料，主要包括III族氮化物（如 GaN、AlN 等）、碳化硅（SiC）、氧化物半导体（如 ZnO、Ga2O3 等）和金刚石等宽禁带半导体。当前具备产业化条件的以 SiC 和 GaN 为主，AlN、ZnO、Ga2O3 、金刚石等宽禁带半导体大多处于实验室研究阶段，产业化尚需时日。第三代半导体材料性能更加优异。相对于 Si、GaAs 和 InP，第三代半导体材料具有高击穿电场强度、高热导率、高电子饱和率、高漂移速率以及高抗辐射能力等优越性能，这些优势有望大幅降低装置的损耗和体积/重量，因而第三代半导体材料在高功率、高频率、高电压、高温度、高光效等领域具有难以比拟的优势和广阔的应用前景。表1丨传统半导体材料与第三代半导体材料电学参数比较（来源：DeepTech）第三代半导体材料成为半导体产业新的关注点。首先，传统半导体材料遵循摩尔定律演进趋势，随着制程微缩的难度和成本指数级上升，摩尔定律脚步放缓，以新材料、新结构和新工艺为特征的“超摩尔定律”成为产业发展的新方向。其次，能源危机和环保压力日益凸显，第三代半导体材料在功率电子、光电子和微波射频领域具有 Si 器件所不具备的优异性能，以 SiC 和 GaN 为代表的第三代半导体成为产业转型升级驱动因素。第三，半导体产业是国家核心竞争力，建立自主可控集成电路第三代半导体材料战略性、先导性地位凸显5参数单位SiSiCGaN金刚石禁带宽度Eg（ev）1.123.263.375.45介电常数εr11.8109.55.5迁移率μn（cm2/v·s）135080012504500击穿电场Er（106V/cm）0.33.03.310饱和漂移速度Vsat（107cm/s）1.02.52.22.7热导率λ（W/cm·K）1.34.9220 产业体系是国家重要的发展战略。在第一代半导体集成电路竞赛中，中国大幅落后于国际先进水平，但是在第三代半导体集成电路领域中国与国际先进水平的差距相对较小，有可能实现“弯道超车”。第三代半导体材料是支撑制造业产业升级的重要保证。第三代半导体材料适用于中高压电力电子转换、毫米波射频和高效半导体光电子应用。可以应用于光伏、风能、4G/5G 移动通信、高速铁路、电动汽车、智能电网、大数据/云计算中心、半导体照明等各个领域。如 4G/5G 通信基站和终端使用的 GaN 微波射频器件和模块、高速铁路使用的 SiC 基牵引传动系统、光伏电站、风能电场和电动汽车使用的 GaN 或 SiC 电能逆变器或转换器、智能电网使用的 SiC 大功率开关器件、工业控制使用的 GaN或 SiC 基电机马达变频驱动器，大数据/云计算中心使用的 GaN 或 SiC 基高效供电电源，半导体照明中使用的 GaN 基高亮度 LED 等。第三代半导体材料战略性、先导性地位凸显6图1丨第三代半导体材料主要应用领域（来源：DeepTech）第三代半导体材料光电子微波射频电力电子半导体照明遥感雷达5G基站新能源并网工业电机轨道交通消费类电子产品新能源汽车卫星通信紫外光源可见光通信新型显示环境探测移动通信 通过国家和地方的大力支持，中国第三代半导体材料发展迅速，形成了比较完整的技术链，部分关键技术指标达到国际先进水平。图2丨第三代半导体材料主要技术环节（来源：DeepTech）在 SiC 衬底及外延方面：中国已经实现 4 英寸 SiC 衬底的量产，开发出 6-8 英寸 SiC单晶样品，衬底质量与国际水平尚存在一定差距。在 SiC 外延方面，中国实现了 4-6英寸 SiC 外延片的量产，可以满足 3.3kV 及以下功率器件制备需求，而超高压（＞10kV）SiC 功率器件所需的 N 型 SiC 外延片以及双极型 SiC 功率器件所需的 P 型 SiC 外延片等方面还处于研究阶段。在 GaN 衬底及外延方面： 中国形成了具有自主知识产权的氢化物气相外延（HVPE）技术，实现了 2 英寸自支撑 GaN 衬底量产和 4 英寸小批量出货，实现 6 英寸 GaN单晶衬底研发，晶体质量达到了国际先进水平。在 GaN 外延方面，根据衬底的不同主要分为 GaN-on-sapphire、GaN-on-Si、GaN-on-SiC、GaN-on-GaN 四种。 GaN-on-sapphire 主要应用在 LED 市场，主流尺寸为 4 英寸； GaN-on-Si 主要应用于电力电子和光电子市场，实现批量生产 6-8 英寸 Si 上 GaN 外延片，克服了大尺寸 Si 衬底上 GaN 外延材料的开裂和翘曲等关键技术问题，部分技术处于国际先关键技术取得突破，与全球先进水平差距缩小7衬底外延芯片、器件、模组蓝宝石SiSiCGaNSiC外延片GaN外延片器件模组芯片工艺过程：单晶生长-切磨抛 外延生长 设计-芯片制造-封装测试 进水平；GaN-on-SiC 主要应用在微波射频市场，中国已成功生长出高质量的 4 英寸 SiC 衬底上 GaN HEMT 器件外延片； GaN-on-GaN 主要应用市场是蓝/绿光激光器，中国还未实现产业化。在电力电子器件方面：中国多家企业和科研机构已经掌握了 SiC SBD 和 JFET 的量产技术，实现 650V-1700V 的 SiC SBD 产品大规模出货以及 3300V SiC SBD 产品样品。研制出 650V-1700V 的 SiC MOSFET 产品，尚不具备产业化能力。GaN 电力电子器件方面，已经实现了 650V 及以下 Si 上 GaN 电力电子器件的产业化应用，但主要以分立器件为主，系统集成度和导通电阻等关键指标与国际先进水平有差距；已经研发出面向新能源汽车应用的 1200V Si 上 GaN 器件，尚未取得应用突破。在微波射频器件方面： GaN 微波射频器件主要包括 SiC 基 GaN、Si 基 GaN 和金刚石基 GaN 的功率放大器。对于 SiC 基 GaN 工艺，主要应用场景是军事和国防领域的雷达、卫星通信，对输出功率要求比较高，中国已经研制出覆盖 C 波段和 Kα 波段多款军用 GaN HEMT 及 MMIC；在民用方面，中国推出了用于无线通信基站的 GaN 微波功率管，但在可靠性、工艺技术方面还存在较大差距。对于 Si 基 GaN 器件来说，主要应用场景是规模巨大的 5G 通信系统，输出功率要求不高，对低成本、高性价比的要求相对比较高，中国已经推出了相关产品，但还未大规模应用。对于金刚石基GaN 射频器件来说，主要应用场景是军事和国防用雷达、卫星通信，对输出功率要求比较高，目前处于实验室研发阶段。在光电子器件方面：LED 技术与国际差距较小，部分技术国际领先。目前中国在蓝宝石衬底上制备的功率型白光 LED 产业化光效超过 160Im/W，在 Si 衬底上制备的 LED 产业化光效超过 150Im/W，处于国际领先水平。在高端照明如汽车照明，核心专利技术由美国、德国、日本掌握。在新型显示方面，Micro-LED 作为下一代显示技术的重要技术路线，中国从关键装备到芯片、封装、驱动、应用系统，国内企业也进行了全面布局。关键技术取得突破，与全球先进水平差距缩小8 中国半导体照明产业已经有 20 多年的发展历程，政府高度重视技术创新和产业发展，产业布局相对完善，已经成为全球最重要的半导体照明产品生产国。中国第三代半导体电力电子、射频及光电子产业发展时间相对较短，从中央到地方密集出台政策措施扶持产业发展，第三代半导体产业集聚态势正在形成。国家层面，2015 年国务院印发了《中国制造 2025》国家战略，提出了发展第三代半导体材料的任务和要求；随后，国家各部委相继出台了《“十三五”国家科技创新规划》、《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》等多项重要规划，均布局了第三代半导体相关内容。面向“十四五”，第三代半导体材料相关内容已经写进“十四五”国家发展规划。地方层面，北京、深圳、广东、福建、江苏、浙江、湖南等省市政府先后出台相关政策（不包括 LED），第三代半导体技术和产业发展均被纳入地方“十三五”和“十四五”相关领域规划内容。各地区依托当地优势研究机构和企业，通过推进技术成果转化、资本投资等多种形式，推动第三代半导体产业发展。区域发展各具特色，产业集群正在形成9发布时间政策名称主要内容2015 年《中国制造2025》提出发展第三代半导体材料的任务要求2016 年《“十三五”国家科技创新规划》发展先进功能材料技术，重点是第三代半导体材料2019 年《重点新材料首批次应用示范指导目录》GaN 单晶衬底、外延片2020 年《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展若干政策的通知》在新一代半导体技术领域推动创建各类平台2021 年《国家“十四五”规划纲要》推进 SiC、GaN 等宽禁带半导体材料发展2021 年《长江三角洲区域一体化发展规划纲要》加快培育布局第三代半导体等一批未来产业表2丨中国第三代半导体材料相关政策（来源：各部委网站、DeepTech） 中国半导体照明产业发展相对成熟，形成了环渤海、长三角、珠三角、闽三角以及中西部五大产业集聚区。从产业基地建设情况来看， 中国形成了 13 个国家级半导体照明产业基地。2004 年，上海、厦门、大连、南昌、深圳、扬州和石家庄 7 个地区获批建立国家级半导体照明产业化基地，加快了中国半导体照明产业的空间集聚，推动了半导体照明产业快速发展。随着半导体照明产业的发展，越来越多的城市将半导体照明产业列为当地重点布局的战略性产业，着力建设半导体照明相关产业基地和园区，2009 年，科技部认定天津、杭州、武汉、东莞、西安和宁波 6 个地区建立国家级半导体照明产业化基地。 依托国家