2016十三五新材料技术发展报告.pdf

十三五新材料技术发展报告 -2016目 录 序 .3 前言 .5 新一代电子信息材料 .10 第三代半导体材料 .10 半导体照明 .18 新型显示 .26 大功率激光材料与器件 .35 先进结构与复合材料 .40 高性能纤维与复合材料 .40 高温合金 45 超导材料 54 高性能高分子结构材料 63 新型功能与智能材料 .68 新型稀土功能材料 68 智能、仿生与超材料 .74 新一代生物医用材料 .81 高性能分离膜 88 纳米材料与器件 .97 新型纳米碳材料及器件（石墨烯） 97 信息电子用纳米材料与器件 104 高效能量转换与存储的纳米材料 113 增材制造材料与3D打印技术 .120 纳米加工、制备及测试表征技术与装备 .127 纳米安全评价与标准技术 .131 材料基因工程 .136 面向材料基因工程的大数据技术 .136 典型材料重点示范应用 .140序 国家新材料产业发展战略咨询委员会（National Adviser Committee for New Material Industry Development Strategy, NACMIDS）由国家科学技术部于 2001年 8月批准成立（国科高字【2001】 116 号），其定位是独立的咨询中介机构、国家材料领域的民间智库、非盈利机构，其主要任 务是承担国家新材料产业发展方面的战略研究工作， 为政府部门提供行业发展的科技建议， 编写、 发布新材料各领域的产业评述报告及新材料发展的年度报告。 国家新材料产业发展战略咨询委员会通过网站、材料数据库、发展战略高层次研讨会、科 技期刊等活动，紧密联系材料领域的高层次科技和工程人员，加强我国材料领域学术界、工业 界与国际同行的交流，推动我国材料科学技术发展与应用，提升产业结构，增加企业创新能力 与产品附加值；坚持独立自主、民主公益的原则，为建设科技创新型国家、构建和谐社会贡献 力量。 国家新材料产业发展战略咨询委员会第四届专家委员会由 33 位院士特聘专家、57 位国内 知名材料专家组成，目前下设区域性研究院。国家新材料产业发展战略咨询委员会围绕新材料 领域主要开展以下四项工作： （1）开展材料产业发展战略与经济政策方面的咨询研究。开展学术、技术、工程与产业的 交流， 组织专家参与国家科技战略、 规划、 布局、 科学技术政策、 法律法规的咨询协商、 科学决策、 民主监督工作，建设有中国特色的高水平科技创新民间智库。 （2）组织举办年度大型的材料战略咨询交流会，针对材料领域的某个专项开展咨询研讨会。 对材料科技发展战略和经济建设中的重大问题开展独立的研讨，提出政策建议，进行科技咨询 和技术服务。 （3）建设国家新材料网、设立新材料文献资料数据库，发布白皮书新材料发展 年度报告，报道新材料最新进展、中国材料主要研究机构及企业名录等。 （4）支持中国材料进展、新材料产业和科技导报的编辑出版。 白皮书2016 年度新材料发展报告由天津研究院组织编撰，动员了国内外著名专家和知 名学者 200 余人，聚焦于新一代电子信息材料、先进结构与复合材料、新型功能与智能材料、 纳米材料与器件、材料基因工程等重大重点领域的国际进展、知识产权、未来 5-10年发展趋势， 进行了综述和预测。 3本年度白皮书涵盖上述五个领域的 20 个子专题，主要包括：新一代电子信息材料领域的第 三代半导体材料、半导体照明、新型显示、大功率激光材料与器件；先进结构与复合材料领域 的高性能纤维与复合材料、高温合金、超导材料、高性能高分子结构材料；新型功能与智能材 料领域的新型稀土功能材料、智能 / 仿生与超材料、新一代生物医用材料、高性能分离膜；纳 米材料与器件领域的新型纳米碳材料及器件（石墨烯）、信息电子用纳米材料与器件、高效能 量转换与存储的纳米材料、增材制造材料与 3D 打印技术、纳米加工 / 制备及测试表征技术与装 备、纳米安全评价与标准技术；材料基因工程领域的面向材料基因工程大数据技术、典型材料 重点示范应用。 在撰写本年度白皮书过程中，国家新材料产业发展战略咨询委员会力求素材新颖详实、内 容创新精炼、更具科学性、指导性和实践性。最后，衷心感谢吴以成院士、李卫院士、中国科 学院电工研究所所长肖立业、中国科学院化学研究所徐坚研究员、中国科学院半导体研究所李 晋闽研究员、中国科学院金属研究所孙晓峰研究员、中国科学院宁波工程技术研究所刘兆平研 究员、中国科学院半导体研究所陈宏达研究员、国家纳米科学中心刘鸣华研究员、钢铁研究总 院周少雄教授、北京科技大学宿彦京教授、华中科技大学黄云辉教授、四川大学顾忠伟教授、 东华大学朱美芳教授、南京工业大学邢卫红教授、南京大学闻海虎教授、福州大学郭太良教授、 中国石油化工股份有限公司北京化工研究院副院长乔金樑、深圳市光峰光电技术有限公司董事 长李屹、北京半导体照明科技促进中心主任 /国家半导体照明工程研发及产业联盟秘书长吴玲、 国家半导体照明工程研发及产业联盟常务副秘书长阮军（排名不分先后）的建议指导支持。 4中国工程院院士 周 廉 国家新材料产业发展战略咨询委员会主任 2016 年 12 月 30 日前 言 材料服务于国民经济、社会发展、国防建设和人民生活的各个领域，成为经济建设、社会 进步和国家安全的物质基础和先导。新材料技术和信息技术、生物技术被认为是 21 世纪三大支 柱性高新技术，也是当前最重要、发展最快的科学技术领域之一，新材料技术成为了世界各国 必争的战略性新兴产业。发展材料技术将促进包括新材料产业在内的我国高新技术产业的形成 与发展，同时又将带动传统产业和支柱产业的技术提升和产品的更新换代。 国际上材料领域全面领先的国家仍然是美国，日本在纳米材料、电子信息材料，韩国在显 示材料、存储材料，欧洲在结构材料、光学与光电材料、纳米材料，俄罗斯在耐高温材料、宇 航材料方面有明显优势。我国在纳米材料、非线性激光晶体、第三代半导体、半导体照明、稀 土材料等方向，研究水平和成果与国际先进水平属同一发展阶段，属于并跑竞争，其中一部分 甚至是领先水平。在高性能纤维及其复合材料、高温合金、高密度信息存储材料、显示技术等 方面与国外还存在一定的差距，属跟跑阶段。 5 图 1 为中国和美国在 33 个工业领域的实力比较，目前中国在与材料相关的家用电器、建筑 材料、铁路、风力涡轮机、电气设备、太阳能电池板等领域已经领先于美国，但其他 20 多项技 术领域都差于美国，在商业航空、半导体设计、生物技术、特种化学品等技术领域，和美国的 差距在 20 至 30 年左右。 图 1 中国和美国在 33 个工业领域的科技实力对比图 6 0 1 2 3 4 特种化学品 生物技术 半导体设计 医药：品牌药 商业航空 应用程序和系统软件 汽车主体 汽车配件 通信设备 医疗器械 铁路 风力涡轮机 冶金与采矿：钢铁 通用化学品 建筑材料 工程机械 电气设备 纺织品 石油天然气开采、炼油、储藏 纸张和林业产品 医药：仿制药 半导体、晶圆级 太阳能电池板 石油天然气服务、设备 包装食品 家居产品 饮料 消费电子和高科技硬件 智能手机 互联网软件和服务 互联网零售 家用电器 家庭娱乐软件 科学研究型 工程技术型 效率驱动型 客户中心型 美国 中国2015 年，在全世界 100 个热点科研前沿和 49 个新兴前沿领域中，美国在 143 个前沿领域 都有核心论文入选，且在 108 个前沿的核心论文数都排名第一，中国在 82 个前沿有核心论文入 选，在 16 个前沿的核心论文数为第一名，世界科学研究的前沿突破基本上有 8 成来自美国。但 在化学与材料科学领域，中国的贡献度已经成功超过了美国。2005 年我国材料领域科技论文数 达到世界第一位；2008 年我国材料领域发明专利申请数达到世界第一位。 从世界五大知识产权局（欧洲专利局、日本特许厅、韩国特许厅、中国国家知识产权局和 美国专利商标局）的统计来看，2014 年五大局共授予了 95.54 万件发明专利，美国最多为 30.1 万件，占 31%，其次就是中国为 23.3 万件，但其增速最快，达 12.3%，相比之下美日韩欧的增 速分别是 8.2%、-18.0%、1.9% 和 -3.1%。 科研上人力投入方面，2013年我国研究与发展（R&D）人员总数为 353.3万人，超过美国， 居世界第一位。2014年中国的研究与试验发展经费支出为 13312亿元，比 2013年增长 12.4%。 世界经济合作与发展组织在经合组织 2014 年科学技术与工业展望中预测，中国的研发支出 将在 2019 年前后超过欧盟和美国，跃居世界首位。 中国在材料和与之紧密相关的先进制造领域方面已具备了强大的实业基础和人力资源优 势（表 1）。生铁产量排名世界第一（占全球总产量的 59%）；粗钢产量排名世界第一（占全 球产量的 46.3%，超过第 2 至第 20 名总和）；水泥产量排名世界第一（产量占世界总产量的 60% 以上）；电解铝产量排名世界第一（占世界总产量的 65% 以上）；化纤产业排名世界第一 （占世界总产量的 70%）；纺织品产量世界第一（每年 300 亿件衣物）；平板玻璃产量排名世 界第一（超过世界总产量的 50%）。在与材料紧密相关的基本建设领域，中国更是独步全球 高速公路，世界第一；高铁，世界第一；地铁，世界第一；水运，世界第一；港口，世界第一； 隧道，世界第一，总里程可绕地球赤道一周有余，规模和建设速度均居世界第一；水利建设， 世界第一；电网，世界第一，而且是最好的电网。在工程机械销售规模、汽车制造、摩托车、 彩电、电冰箱、空调、手机、集成电路产量均排名世界第一。进出口贸易规模排名世界第一， 为世界第一大进出口贸易国；科技人力资源规模世界第一，中国科技人力资源 5100 万人，研发 人员总量 196.5 万人，技能劳动者总量突破 1 亿人，其中高技能人才达到 2630 万人。材料领域 拥有中科院院士和工程院院士 210 余人，每年材料类大学本科毕业生 4 万余人、硕士和博士毕 业生 1 万余人，拥有国家重点实验室、国家工程中心、产业化基地近 400 家。 7表 1 2014 年中美印主要社会经济指标（数据来源：世界银行、IMF、联合国联农组织） 主要指标 单位 中国 美国 印度 国土面积 万平方公里 960.00 983.00 328.70 耕地面积 万公顷 10592.00 15511.00 15620.00 人口 万人 136427.00 31886.00 129529.00 人口预期寿命 岁 76.00 79.00 66.00 国内生产总值 亿美元 103548.00 174190.00 20485.00 人均国内生产总值 美元 7590.00 54630.00 1582.00 国内生产总值（PPP） 亿美元 180171.00 174190.00 73841.00 人均国内生产总值（PPP） 美元 13206.00 54630.00 5701.00 农业增加值 亿美元 9496.00 2102.00 3365.00 制造业增加值 * 亿美元 35066.00 19438.00 2936.00 财政总支出 亿美元 30760.00 61970.00 5472.00 军事支出 * 亿美元 2164.00 6099.00 500.00 人均军事支出 * 美元 159.00 1913.00 39.00 人均医疗卫生支出 * 美元 367.00 9146.00 61.00 公共医疗卫生支出占 医疗卫总支出的比重 * % 55.80 47.10 32.20 公共教育支出占财政支出的比重 # % 17.00 15.00 11.30 国债余额 # 亿美元 12288.00 166543.00 12521.00 居民专利申请数 * 件 704936.00 287831.00 10669.00 国际专利（PCT）申请数 件 25538.00 61241.00 1398.00 R&D 研究人员 * 每百万人 2587.00 4019.00 341.00 研发支出暂 GDP 的比例 # % 2.08 2.79 0.81 铁路营业里程 万公里 11.18 22.82 6.58 高速铁路营业里程 万公里 1.67 0.00 0.00 高速公路里程 万公里 11.19 8.87 0.02 港口集装箱吞吐量 * TEU:20 万英里当量 单位 17408.00 4426.00 1065.00 铁路运货量 # 亿吨公里 29173.90 25245.85 6257.23 公路货运量 # 亿吨公里 51374.74 19292.00 11066.00 谷物产量 # 万吨 54264.28 35696.19 28650.00 水果产量 # 万吨 24057.00 2655.00 7107.25 蔬菜产量 # 万吨 71654.00 3595.00 10914.00 肉类产量 # 万吨 8384.30 4254.80 629.00 鸡蛋产量 # 万吨 2880.00 543.50 360.00 牛奶产量 # 万吨 4236.70 9086.50 12485.00 鱼肉养殖及捕捞产量 # 万吨 5439.56 555.04 401.60 粗钢产量 万吨 82270.00 8834.00 8320.00 水泥产量 * 万吨 24.20 0.76 2.80 汽车产量 万辆 2372.00 1166.00 384.00 汽车销量 万辆 2349.00 1684.00 318.00 智能手机销量 * 亿部 4.23 1.25 0.44 发电量 亿千瓦时 56496.00 42973.00 12084.00 一次能源消费量 亿吨标准油当量 29.72 22.98 6.38 货物出口 亿美元 23427.00 16232.00 3174.00 货物进口 亿美元 19603.00 24094.00 4604.00 货物经贸差额 亿美元 3824.00 -7862.00 -1430.00 经常账户差额 亿美元 1887.00 -3792.78 -372.28 *2013 年数据，#2012 年数据 8时至今日，我国已有钢铁、有色金属、稀土金属、水泥、玻璃、化学纤维等百余种材料产量 达到世界第一位；材料产业成为我国国民经济的重要组成部分，占我国 GDP 的 22.8% 左右，占 城镇就业人口 15左右。在材料产业领域推进了半导体照明、新型显示、高性能纤维及复合材 料、多晶硅等成果的工程化和产业化，培育和发展了一批新兴产业和新的经济增长点；突破了超 级钢（细晶钢）、电解铝、低环境负荷型水泥、全氟离子膜、聚烯烃催化剂等关键技术；在纳米 材料与器件、人工晶体与全固态激光器、光纤、超导材料等技术领域取得重大进展；发展了生 物医用材料、肝炎和艾滋病快速诊断技术、海水和苦咸水淡化等。在新材料研发和产品上，深 紫外非线性光学晶体材料及 6 千瓦高功率全固态激光器取得重要进展；半导体照明功率型芯片 光效达到 130 流明 / 瓦，功率型硅衬底白光 LED（发光二极管）芯片光效超过 120 流明 / 瓦；功 率型白光 LED 超过 150 流明 / 瓦；钴酸锂和磷酸铁锂材料实现突破；三相 35kV/2kA 超导电缆、 220kV/800A高温超导限流器实现并网运行；500MPa级超级钢已广泛应用于交通、建筑等领域， 产生了重大的经济和社会效益；炭 / 炭、炭 / 陶基复合材料的研究与应用使我国跻身于少数几个 掌握该技术的国家行列；实现百万吨级化工反应强化技术应用；纺织无水印染与后整理、工业废 水再生利用、废弃电子物综合回收等技术取得了进展。 近几年，全球新技术与产业发展迅猛，新一轮产业变革为产业结构调整提供了重要的机会窗 口。新材料技术领域研发面临新突破，新材料和新物质结构不断涌现，“一代装备，一代材料” 向“一代材料，一代装备”转变，突显材料的战略性和基础性作用，新材料技术成为各国竞争的 热点之一。为此，各国均制定了相应的新材料发展战略和研究计划。例如美国的国家纳米技术 计划、材料“基因组”计划（MGI）、重返制造业计划，日本正在实施的第四期“科学技术基 本计划”，欧洲的地平线 2020 科研规划，德国推行的工业制造 4.0 等。 当今新材料技术整体发展态势为：材料结构功能一体化、功能材料智能化、材料与器件集成 化、制备及应用过程绿色化成为材料发展的重要方向。材料制备与应用向低维化、微纳化、基因 化发展；材料与物理、化学、信息、生物等多学科交叉融合加剧；材料研发周期缩短、可应用材 料品种快速增长；并在资源和能源的可持续发展中扮演着越来越重要的作用。 根据国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020 年）和国务院关于加快培育和 发展战略性新兴产业的决定，作为国民经济基础与先导的材料产业，不仅是推动经济可持续发 展、促进节能减排的重要力量，也是催生新技术革命和培育战略性新兴产业、支撑经济发展方式 根本转变的重要前提。在未来 5-10 年中，对具有核心自主知识产权、对自主创新能力的提高具 有重大推动作用的战略性问题，对科学技术竞争力整体提升具有全局性影响、带动性强的关键共 性问题，对可解决制约经济社会发展的重大瓶颈问题，以及对保障国家安全和增强综合国力具有 重大战略意义的科学技术问题，开展相关的高技术研究和推动产业的发展。 展望 2020 与 2025，坚持满足当前需求与实施长远战略相结合，坚持新兴产业培育与传统结 构调整相结合，坚持技术创新引领与市场需求带动相结合，坚持市场机制运作与宏观政策引导相 结合。应当遵循“应用牵引材料技术发展”、“有所为，有所不为”、“国计民生，量大面广” 以及“发挥优势，占领制高点”的发展原则，支撑国家重大重点工程、军民融合、工程示范应用 为牵引，重点发展具有共性、关键性、集成性、带动性的新材料的高技术，围绕产业化关键技术 研发攻关，服务于国民经济主战场的迫切需求，实现材料各创新环节紧密衔接，引领新材料高端 技术的发展和升级换代，创造规模技术和经济价值，建立起具有自主知识产权、完善的战略性新 材料产业体系。 9新一代电子信息材料 第三代半导体材料 一、概述第三代半导体材料主要包括氮化镓（GaN）、 碳化硅（ SiC）、氧化锌（ ZnO）和氮化铝（AlN） 等宽禁带化合物。与硅（Si）材料相比，氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）等第三代半导体材料具 有宽禁带、高击穿电压、高载流子迁移率、高导热率、高电子饱和速率等优点，在光电子器件、 电力电子器件、固态光源等领域有着广泛的应用。目前，GaN 和 SiC 材料研究较为广泛，发展最 为迅速。 GaN 材料禁带宽度达到了 3.4 eV，因其优异的性能成为高温、高频、大功率微波器件的首 选材料之一。20 世纪 90 年代以后，GaN 半导体材料以年均 30% 的增长率快速发展，成为了激 光器（LDs）及大功率 LED 的关键性材料，因为 GaN 禁带宽度覆盖了更广阔的光谱范围，使得 GaN 在高亮度 LED、激光器产品领域有了商业应用。并且，GaN 功率元件进入市场不久，有着 与 SiC 相似的性能优势，以高功率 GaN 为例，具有更大的成本控制潜力和更大的输出功率，成 为下一代功率元件的候选材料之一。 10 SiC具有高热导率， 并且具有与 GaN晶格失配小的优势， 非常适合用作新一代 LED衬底材料、 大功率电力电子材料等。以 SiC 为代表的第三代半导体材料首先在 LED 半导体照明领域取得突 破，实现规模化应用。目前，SiC 器件生产成本持续降低，应用已得到普及，但是，因其使用中 存在低电压部分，使得部分领域中仍旧以硅器件为主。可以肯定的是 SiC 功率器件市场将会持续 走高。 二、国外研发进展 近年来，欧、日、美等发达国家非常重视第三代半导体材料，纷纷出台政策、积极研发，抢 占战略制高点。2010 年， 为推动欧洲高能效功率芯片的商用研究，欧盟成立了 SiC/GaN 功率半导体开发项 目 “LAST POWER”，由意法半导体（ST）集团牵头汇集意、法、希、波、德、瑞典等国众多 企业和机构，研发高成本效益且高可靠性的功率电子技术。项目中，意法半导体开发了 150mm 硅基板制备 HEMT 用 AlGaN/GaN 外延层技术，并与 意大利国家研究委员会微电子和微系统研 究所（ The Institute for Microelectronics and Microsystems-Italian National Research Council，IMM- CNR）合作研究了 SiO 2 /SiC 界面问题，提高了 4H-SiC MOSFET 的通道迁移率。 2013 年，日本成立 “ 下一代功率半导体封装技术开发联盟 ”，得到了大阪大学（Osaka Uni- versity）在内的 18 家机构的支持，意在产业化焊接技术和布线技术，实现可靠性评价方法和评 价标准化，探明极限环境下材料的劣化原理，制定新型封装材料和封装构造的设计指南。日本罗姆半导体公司（ROHM Semiconductor）是日本 SiC 功率器件制造商之一，2016年上半年，罗 姆半导体对外公布， 实现业界最低正向电压与高抗浪涌电流的 SiC 肖特基势垒二极管产品，该 产品适用于各种电源装置的 PFC电路，并可大幅改善工作效率。同年 8月，“深圳国际电子展 ” 上，罗姆半导体展示的 “内置 SiC-MOSFET的 AC/DC转换器控制 IC”因其省电化、效率化、小 型化的特点而受到了广泛关注。 2014 年，美国成立 “ 下一代电力电子制造创新研究所 ”，汇集了 25 家企业及科研机构，以 开发宽禁带半导体功率器件。成立后五年内，该研究所将从能源部和非联邦政府机构获得 1.4 亿美元左右的研发投资。美国 Cree 公司（Cree.Inc）下属的 Wolfspeed 公司（Wolfspeed Compa- ny）是世界顶尖的 SiC 和 GaN 宽禁带功率材料制造商。2016 年 10 月，Wolfspeed 公司对外宣 布提供业界首个 1000V SiC MOSFET，降低整体系统成本、提高系统效率、降低系统尺寸。同 年 4 月，Wolfspeed 公司完成了 GaN 射频器件对于 NASA 卫星和空间系统可靠性标准测试，标 志着 Wolfspeed具备了生产在恶劣太空环境中使用的 GaN射频器件的能力。 除 Wolfspeed公司外， 美国 道康宁（Dow Corning）公司可提供 SiC 半导体材料，应用于工业、运输和能源领域。 GaN材料体系的迅速发展，得益于半导体照明技术的带动。半导体照明技术进步日新月异。 近年来LED技术不断取得突破性进展，速度远远超过预期。2011年日本日亚化学（Nichia）公 司的小功率白光LED实验室光效达249 lm/W，2013年美国Cree公司大功率白光LED实验室光 效达到276 lm/W。目前国际上大功率产业化白光LED光效水平已经超过160 lm/W。近期重点 研究集中在高In组分以及高Al组分的氮化物体系方面。日本的住友电工（Sumitomo）、 日亚 化学（Nichia）、德国的欧司朗（Osram）、美国的加州大学圣巴巴拉分校（University of Cali- fornia, Santa Barbara, UCSB）及其创业公司 Soraa（Soraa Corporation），相继宣布在高 In 组分 GaN 外延技术上取得重大进展，实现了 GaN 绿光半导体激光器和高亮度绿光 LED。Osram 和 Nichia的 GaN绿光激光器均已投放市场， 出光功率均超过 50mW， 寿命分别为 1000和 5000小时。 在高 Al 组分 GaN 材料外延技术上，代表性的科研机构有 Nichia 公司，美国 SETi 公司（Sensor Electronic Technology, Inc.）、南卡州立大学（University of South Carolina）等。Nichia 和 SETi 的高性能量产型高 Al 组分深紫外 LED 产品，已经开始逐步取代传统紫外光源汞蒸气灯。 11三、国内近况 近年来，我国也对第三代半导体材料加大了重视程度，2014 年，北京市成立了 “ 北京市第 三代半导体材料及应用工程技术研究中心”，依托中国科学院的技术力量，开展了第三代半导 体材料的技术研究，并与 2016 年 7 月承担了国家重点研发计划 “ 战略性先进电子材料 ” 专项中 “ 第三代半导体固态紫外光源材料及器件关键技术 ” 项目。成为我国重要的第三代半导体材料 研究基地。 2016 年 7 月，“ 第三代半导体材料及应用联合创新基地 ” 在北京中关村启动建设。其目的 是打造第三代半导体的开放式创业生态系统，实现关键技术重大突破，形成产业聚集，抢占半 导体产业制高点。同年 9月，“中国第三代半导体产业南方基地 ”项目启动发布会在东莞召开。 该产业基金初定规模 20 亿元人民币，投资 “ 第三代半导体科技 ” 创新性的企业，瞄准从二级市 场发起的产业整合投资机会。 2016 年 9 月，国家重点研发计划 “ 战略性先进电子材料 ” 专项中 “ 中低压 SiC 材料、器件 及其在电动汽车充电设备中的应用示范 ” 项目启动。获得了国家科技部高技术研究发展中心的 指导以及第三代半导体产业技术创新战略联盟的支持，由北京华商三优新能源技术有限公司牵 头，协同 24 家单位共同参与。该项目旨在针对我国电动汽车充电设备对高效率、高稳定性 SiC 电力电子技术的重大需求，从材料、器件和应用三个层次展开系统性研究，攻克基础科学问题， 突破关键技术瓶颈，建成 SiC 材料、器件和应用协同合作的全产业链研发平台和产业化基础 , 实现全 SiC 充电设备的批量示范应用，以满足我国日益增长的电动汽车市场对智能、高效充电 装备的需求，为实现中国制造 2025国家战略，提升国家综合实力贡献力量。 我国具有很大的 SiC 应用市场，近年来我国已经有少数企业进入 SiC 领域。泰科天润半导 体科技（北京）有限公司是中国碳化硅（ SiC）功率器件产业化的倡导者之一，在 2015 年，该 公司推出了一款 3300V/50A 高功率 SiC 肖特基二极管产品，具有低正向电压降、快开关速度、 卓越的导热性能等特性，适用于轨道交通、智能电网等高端领域。山东天岳晶体材料有限公司 是以研制、生产半导体晶体及衬底材料为主的高科技企业，产品主要有 2 英寸、3 英寸、4 英寸 SiC 单晶衬底，广泛应用于大功率高频电子器件、半导体发光二极管（LED）等领域。 经过十多年的发展，我国已形成了较完整的 LED 产业链和一定的产业规模，具备了较好的 发展基础，技术发展迅速，成本快速下降，产品示范应用逐步推开，节能减排效果日益明显。 我国已成为全球半导体照明产业发展最快的区域之一。我国产业化技术取得重大突破，部分单 项技术国际领先。蓝宝石衬底功率型白光 LED 研发水平已超过 180 lm/W，产业化水平从 2003 年的 20 lm/W 达到目前的 160 lm/W。在高 Al 组分和高 In 组分的氮化物材料研制方面，中国科 学院半导体研究所、北京大学、清华大学、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所等研究 机构具有多年的研究基础，在材料质量、器件工艺等方面均取得了突破，实现了高 In、高 Al 组分的激光器光泵和电泵器件。 12四、未来发展趋势 随着第三代半导体材料、器件及应用技术不断取得突破，极具竞争力的第三代半导体光电 器件、电力电子器件和射频功率器件产品进入市场，将兴起一场以半导体超越照明技术、宽禁 带节能电子技术、宽带移动通讯硬件技术、先进雷达技术等为主要内容的半导体科技革命，引 发一场新的信息和能源技术革命，从而推动第三代半导体产业爆发性成长。我国目前正处于快 速夯实第三代半导体材料科技基础的重要阶段，加快第三代半导体材料、器件与应用技术开发 及其产业化仍然是未来 5-10 年我国发展第三代半导体材料产业的首要任务。未来发展趋势主要 包括基础研究及前沿技术方面、重大共性关键技术方面和典型应用示范方面。 在 典型应用示范方面，实现 SiC 电力电子材料、器件与模块及在电力传动和电力系统的应 用示范；半导体照明技术持续向更高光效、更低成本、更高可靠性、更高光品质的方向发展， 并逐步开始跨领域的交叉融合，形成更高技术含量与产品附加值，如与生物作用机理及面向健 康医疗和农业的系统集成技术与应用示范。 在基础研究及前沿技术方面，研究大失配、强极化第三代半导体材料外延生长动力学以及 第三代半导体新结构材料和新功能器件。 在重大共性关键技术方面，研究面向新一代通用电源的 GaN 基电力电子技术，面向下一代 移动通信的 GaN 基射频器件及系统应用技术，超高能效半导体光源核心材料、器件及全技术链 绿色制造技术，第三代半导体固态紫外光源与紫外探测材料与器件技术，以及用于第三代半导 体的衬底及同质外延、核心配套材料与关键装备。 附 专利分析根据 THOMSON REUTERS（汤森路透）的 Web of Science 网站的专利查询，2016 年 GaN 和 SiC 相关专利各国家（地区）专利数量和专利权人 / 申请人数据如下： 13958 591 282 231 66 0 200 400 600 800 1000 1200 中国 美国 日本 韩国 德国 图 1 2016 年各国家（地区）申请 GaN 专利数量 14 图 2 2016 年 GaN 专利权人/申请人前十名 2016 年，全球 GaN 专利数量为 2093 件，由图 1 可知，在中国地区申请的 GaN 数量最多 处于第一梯队，这说明中国市场潜力巨大；美国地区申请专利数量次之，处于第二梯队；韩、 日两国申请专利数量相近，处于第三梯队。由图 2 可知，2016 年 GaN 专利权人 / 申请人前十名 当中中国占据 4席，韩国占据 3席，日本占据 2席，美国占据 1席。虽然前十名中中国占据 4席， 但是科研院所占据 2 席，反观韩、日两国，皆以企业研发为主，这说明我国还要加强企业层面 的研发力度。 15图 3 2016 年各国家（地区）申请 SiC 专利数量 3198 845 653 413 191 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 中国 美国 日本 韩国 德国 73 60 54 44 44 40 38 37 36 33 0 10 20 30 40 50 60 70 80 住友电工 三菱电机 日本揖斐电 富士电机 中国国家电网 东芝 台积电 中芯国际（上海） 丰田汽车 哈工大 图4 2016年SiC专利权人/申请人前十名 16由图 3 可知，2016 年在中国地区申请的 SiC 专利数量明显高于其他国家和地区，这说明 中国的 SiC 市场备受瞩目。图 4 为 2016 年 SiC 专利权人 / 申请人前十名条形图，前十名中日 本占据 6 席，中国占据 4 席（包括台湾地区），前五名中日本占据 4 席，中国仅占据 1 席。 近年来，虽然我国已经开始有企业涉足 SiC 领域，但是整体实力仍然远逊于日本，需要继续 加大研究力度，扩大更深层次的应用。 17 （国家新材料产业发展战略咨询委员会天津研究院责任编辑：聂铭歧）半导体照明 一、背景 半导体照明包括半导体发光二级管（LED）和有机发光二极管（OLED），是用第三代半 导体材料和有机半导体材料制作的光源和显示器件，由于使用固态发光器件，亦称固态照明。 半导体照明具有耗电量少、寿命长、体积小、色彩丰富、抗震动、可控性好等特点，是光源 领域一场成功的技术革命。LED 结构与 OLED 有所差异，因此其产业链的各个环节也完全不 同（表 1）。 表 1 LED 及 OLED 产业链 半导体照明的应用领域包括信号指示、显示、背光、景观装饰、汽车照明、通用照明、农业、医 疗等领域。 18二、国外举措 近年来， 世界各国纷纷出台政策并提供补贴支持， 推动半导体照明的技术研发和产业发展， 以减少照明设施的能源消耗，促进绿色低碳的发展。 （一）LED 美国的 LED产业以 Cree公 司（ Cree.Inc） 为代表， 其业务涵盖 LED照明、 组件、 芯片等部分， LED 照明产品能够达到 140 流明 / 瓦（lm/W）。2016 年 2 月，Cree 公司推出了一种 PAR30 LED灯泡， 色温 3000K， 使用寿命 22年（ 25000小时） ， 而在 9月份， 该公司又推出多种新产品， 再次刷新使用寿命，有些能够达到 32 年。美国另一家巨头企业 GE 照明（GE Lighting）的室 内照明 LED 产品使用寿命能达到 50000 小时，效率可达 100 lm/W。学术方面，美国伊利诺伊 大学香槟分校（UIUC）在 2016 年 8 月份宣布开发了一种新方法，可以让绿光 LED 亮度和效 率增强。研究人员使用工业标准的半导体生长技术，制备了生长在硅基质上的氮化镓（GaN） 立方形晶体，能产生强劲的绿光用于先进固态照明应用。该项技术有可能通过与红蓝两色二 极管混色的方法产生白光，更加节能。 欧洲方面， 德国欧司朗（OSRAM）公司是世界著名的光源制造商，该公司在汽车 LED 照明上有技术优势，他们的节能 LED 车灯技术 2016 年 9 月份赢得了 BMW 的大单，而 2016 年 10 月份其又宣布开发了一种智能、高分辨率 LED 车头灯的基础技术，可以对环境进行自 适应光线调整。 荷兰飞利浦照明公司（Philips）也是欧洲重要的 LED 照明产品生产商，其 新一代节能 LED 照明产品 MASTER LED 管灯平均使用寿命达 30000 小时，色温范围 3000- 6500K，光效可达 148 lm/W。 日本丰田合成株式会社（Toyoda-Gosei）提供具有世界顶级亮度的小型节能白光 LED 等 产品。该公司 2016年 8月 16日宣布整合其在日本本土的光电业务，以此提高生产资源利用率， 从而全面增强其 LED 业务，提升产品质量，促进 LED 照明在东南亚及其它地区的应用。 （二）OLED 在 OLED方面，欧洲的德国欧司朗（OSRAM）、荷兰飞利浦（Phil