2022关键新材料技术及创新生态发展图景研究报告.pdf

1Chapter 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r11.8109.55.5迁移率n（cm2/vs）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（W/cmK）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 K 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。依托国家级产业基地，各地建成了数百个半导体照明产业园区，半导体照明产业在中国全面开花，推动中国成为全球最大的半导体照明产品生产和出口地。区域发展各具特色，产业集群正在形成10环渤海地区：大连国家半导体照明工程产业化基地天津国家半导体照明工程高新技术产业化基地石家庄国家半导体照明高新技术产业化基地 中西部地区：西安国家半导体照明工程高新技术产业化基地武汉国家半导体照明工程高新技术产业化基地南昌国家半导体照明工程产业化基地珠三角和闽三角地区：深圳国家级半导体照明产业化基地东莞国家半导体照明工程高新技术产业化基地厦门国家级半导体照明产业化基地长三角地区：扬州国家级半导体照明产业基地杭州国家半导体照明高新技术产业化基地宁波国家新能源与节能照明高新技术产业化基地上海国家半导体照明产业基地图3丨中国国家级半导体照明产业基地分布情况（来源：DeepTech）中国第三代半导体电力电子、微波射频及光电子产业正在加速形成各具特色的产业集群。中国在 SiC、GaN 材料及器件方面的发展起步较晚，与全球水平仍有较大差距，目前正在积极布局中。2017 年，中国第三代半导体产业全面启动，中央和地方出台相关政策加大对第三代半导体材料及产业化应用扶持力度。从政策分布来看，广东省、江苏省、上海市、北京市、福建省、湖南省相对集中，未来将围绕这些区域形成第三代半导体产业集群。北京市和广东省相继建立北京第三代半导体材料及应用联合创新基地和第三代半导体南方基地，着力发展第三代半导体全产业链，未来将形成全球重要的第三代半导体产业集群；经过几年的发展，中国第三代半导体主要企业由中试进入大规模量产阶段，新建产能主要集中在上海、深圳、湖南、山西等地区，在这些地区依托龙头企业及当地产业基础将形成产业集群。浙江、河北、山东、安徽、四川等地已经集聚了相对完整的第三代半导体产业链，具备建设产业集群条件。区域发展各具特色，产业集群正在形成11北京市：发展方向：第三代半导体全产业链典型企业：天科合达、泰科天润、世纪金光、聚能创芯主要园区：北京第三代半导体材料及应用联合创新基地上海市：发展方向：第三代半导体全产业链典型企业：山东天岳、积塔半导体主要园区：上海临港新片区江苏省：发展方向：第三代半导体全产业链典型企业：天科合达、纳维科技、55 所、英诺赛科主要园区：苏州工业园、徐州凤凰湾电子信息产业园广东省：发展方向：第三代半导体全产业链典型企业：天科合达、南砂晶圆、东莞天域、英诺赛科主要园区：第三代半导体南方基地、深圳坪山半导体产业园、广东南沙新能源汽车第三代半导体产业基地湖南省：发展方向：SiC 电力电子典型企业：湖南三安、泰科天润、中车时代半导体主要园区：湖南三安半导体产业园福建省：发展方向：第三代半导体全产业链典型企业：瀚天天成、三安集成主要园区：泉州芯谷图4丨中国第三代半导体产业分布情况（来源：DeepTech）第三代半导体典型园区：北京第三代半导体材料及应用联合创新基地：北京第三代半导体材料及应用联合创新基地产业集聚初见雏形。初步完成 SiC 全链条核心技术突破和产业链布局，天科合达、世纪金光实现了 4 英寸以上 SiC 衬底材料批量生产，泰科天润、世纪金光在国内率先实现 SiC 二极管批量生产，形成了从材料、器件、封装到应用的产业链条。GaN 射频方面引入中国电子科技集团有限公司第 13 研究所，规划在基地投资 50 亿元发展民品微波射频产业。江苏省苏州市工业园区：苏州工业园区已形成以 GaN 材料及其应用为优势的第三代半导体产业集聚区。在 GaN 材料、中游器件及终端应用产品方面形成一定规模，依托中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，集聚了如纳维科技、苏州晶湛、苏州能讯等一批行业领军企业。目前，苏州工业园第三代半导体相关企业共 9 家，涵盖衬底、外延、器件等环节。区域发展各具特色，产业集群正在形成12衬底外延器件/模组衬底设计+芯片制造图5丨北京市第三代半导体产业链（来源：DeepTech）图6丨苏州工业园区第三代半导体产业链（来源：DeepTech）第三代半导体材料典型企业：山东天岳山东天岳是中国 SiC 半绝缘衬底龙头企业，也是第三代半导体材料领域第一家上市企业。截至 2021 年底，山东天岳 SiC 衬底产能约为 50000 片/年，衬底尺寸主要为 4 英寸。山东天岳在半绝缘型 SiC 衬底领域国内市场占有率第一，主要客户为中电科 13 所和 55 所。2020 年，公司招股说明书上表示公司市场占有率较上年增 12 个百分点，位列世界前三，大大缩小了与国外竞争对手的差距。山东天岳总部位于山东济南，产业化基地位于上海临港新片区，于 2020 年底开始建设，总投资 25 亿元。天科合达公司是中国 SiC 导电型衬底龙头企业，公司实现 2 英寸至 6 英寸 SiC 晶片产品的规模化供应，2020 年启动 8 英寸晶片产品研发。截至 2021 年底，公司 SiC 衬底折合 4英寸产能约为 50000 片/年。天科合达总部位于北京市大兴区，在北京和江苏徐州有产业化基地，2021 年在深圳投资 22 亿元建设 6 英寸 SiC 衬底及外延生产线。纳维科技苏州纳维科技有限公司是中国首家 GaN 衬底晶片供应商，GaN 衬底尺寸以 2 英寸为主，4 英寸至 6 英寸已经小批量出货，技术水平全球领先。纳维科技 2 英寸 GaN 衬底产量接近 10000 片/年，客户主要为全球研发型机构，面向激光器、LED、电子器件、探测器和太赫兹等应用。区域发展各具特色，产业集群正在形成13中国建立了较为完善的第三代半导体技术创新体系。与全球同步，中国科研院所和大学也相继开展了第三代半导体材料的研究，主要包括中科院物理所、山东大学、中科院硅酸盐所、中科院半导体所以及中国电子科技集团第46研究所等单位，这些科研单位的超前研究成果构建了中国第三代半导体产业技术基础。随着全球第三代半导体产业化水平的持续推进，中国越来越多的科研单位在细分领域和主要环节进行科学研究，如清华大学、北京大学、浙江大学、西安电子科技大学、复旦大学等单位，这些单位完善了中国第三代半导体研究体系。为建设以企业为主体、市场为导向、产学研用深度融合的技术创新体系，全面提升中国第三代半导体领域的自主创新能力，支撑第三代半导体产业集群式发展，深圳、苏州、南京、山西、湖南、北京等国家级第三代半导体技术创新中心相继成立，中国第三代半导体技术研发格局基本形成。创新生态生机勃勃，助力打造核心竞争力14中科院半导体研究所中科院物理所清华大学电子工程系北京大学宽禁带半导体研究中心国网研究院第三代半导体国家技术创新中心（北京）国家第三代半导体技术创新中心（南京）国家第三代半导体技术创新中心（江苏平台）南京大学物理系江苏第三代半导体研究院中科院苏州纳米所中国电子科技集团第55研究所中科院硅酸盐所复旦大学信息科学与工程学院山东大学晶体材料国家重点实验室电子科技大学电子科学与工程学院深圳第三代半导体研究院广州南沙第三代半导体创新中心松山湖材料实验室国家第三代半导体技术创新中心（深圳平台）国家第三代半导体技术创新中心（湖南）国家第三代半导体技术创新中心（山西）中国电子科技集团第46研究所西安电子科技大学图7丨中国第三代半导体产业研究机构分布图（来源：DeepTech）中国第三代半导体技术创新机构形成以北京、江苏和广东三地为核心全国多点分布的格局。北京市研发力量全国最强，不仅有顶级的科研单位代表，如中科院半导体所、中科院物理所、清华大学、北京大学、国网研究院等，主要企业如天科合达、中科钢研、泰科天润、世纪金光等也汇聚于此。江苏省和广东省紧随其后，形成了以大学、科研院所、国家级技术创新中心、省市级技术创新平台、企业研发中心为代表的完善的研发体系。上海市、山东省、山西省、湖南省、江西省、福建省、安徽省、浙江省等地区依托大学、大院、大所以及龙头企业正在建设符合区域发展的研究队伍。中国第三代半导体技术创新人才形成以院士为引领，杰青、长江学者、国家高层次人才计划、青年学者等多层次人才梯队结构。郑有炓、甘子钊、王立军、江风益、郝跃、刘明等院士专家构成了中国第三代半导体领域第一人才梯队，在前沿领域进行探索研究，为中国第三代半导体技术指明了方向。以徐现刚、陈小龙、张荣、王新强、龙世兵等杰青和长江学者为代表的专家，以及张清纯、严群、张波等国家计划重点人才形成了中国第三代半导体领域第二人才梯队，在学科建设、技术引领、人才培养方面发挥重要作用。广大的青年专家、学者、企业技术负责人等构成了中国第三代半导体领域第三人才梯队，在技术研究、工程研发、产业化推进等方面贡献力量。另外，依托早期半导体照明产业的发展，中国在第三代半导体领域初步积累了人才基础，三安光电、国星光电、乾照光电等半导体照明龙头企业都为第三代半导体领域的重要参与者。创新生态生机勃勃，助力打造核心竞争力15典型研究机构：电子科技大学电子科技大学国家示范性微电子学院依托现有的电子科学与工程学院，拥有电子薄膜与集成器件国家重点实验室、电子科技大学功率集成技术实验室、国家电磁辐射控制材料工程技术研究中心、极高频复杂系统国防重点学科实验室、微波电真空器件国防科技重点实验室、国家集成电路人才培养基地、国家集成电路设计成都产业化基地研发培训中心、3 个国家级实验教学示范中心、10 个省部级重点实验室及工程中心等实验平台。学院开展了 SiC JBS、SiC PiN 和 SiC 功率 MOSFET（平面和槽栅）研究。650V/1200V（10A/20A）SiC JBS 二极管已获批量应用；1200V/25A、1700V/15A SiC MOSFET 以及 4.5kV/6.5kV/10kV（50A/100A）SiC PiN 二极管已经流片成功，可以进行产业化推广；实现 10kV SiC MOSFET 晶体管以及 10kV SiC JBS 二极管样品开发工作。自研 650V GaN HEMT 器件，导通电阻 70m，电流 40A，达到国际商用器件Navitas NV6128 芯片技术水平；自研 100V GaN HEMT 器件，导通电阻 21m，电流 45A，与国际商用器件 EPC 2051 器件性能相当。松山湖材料实验室松山湖材料实验室第三代半导体材料与器件团队涵盖了从上游薄膜材料外延、中游芯片设计制备、到下游器件模组封装等全部产业链研究布局。构建外延片生长及表征系统、紫外 LED 芯片制备系统、AlN 陶瓷基板及封装应用系统与应用级产品测试开发系统等四大板块。2020 年松山湖材料实验室成功建设了一条 SiC 外延工艺研发产线。创新生态生机勃勃，助力打造核心竞争力16创新生态生机勃勃，助力打造核心竞争力17专家人物所在单位研究方向甘子钊 院士北京大学物理学院固体物理和激光物理研究郑有炓 院士南京大学南京大学电子科学与工程学院新型半导体异质结构材料与器件研究王立军 院士中科院长春光机所激光与光电子专家刘 明 院士复旦大学芯片与系统前沿技术研究院半导体存储器和集成电路的微纳加工江风益 院士南昌大学国家硅基LED工程技术研究中心半导体发光方向研究郝 跃 院士西安电子科技大学微电子学院5G GaN 射频器件研究，Ga2O3 衬底生长技术研究，金刚石超宽禁带半导体技术研究张 荣 杰青厦门大学光电材料、半导体新材料王新强 杰青北京大学凝聚态物理与材料物理研究所宽禁带半导体材料、物理与器件研究沈 波 杰青北京大学宽禁带半导体研究中心GaN 基半导体材料生长、物理性质和光电子器件研究、GaN 基功率电子器件和新功能器件技术陈小龙 杰青中科院物理所先进材料与结构分析重点实验室大尺寸、高质量 SiC 衬底研究龙世兵 杰青中国科学技术大学微电子学院超宽禁带半导体 Ga2O3 材料研究盛 况 杰青浙江大学电气工程学院SiC 电力电子徐现刚 长江学者山东大学晶体材料国家重点实验室大尺寸、高质量 SiC 衬底研究，Ga2O3 衬底生长技术研究，金刚石CVD生长和加工技术研究张清纯 特聘教授复旦大学上海碳化硅功率器件工程技术研究中心宽禁带半导体研究严 群 国家高级人才计划福州大学物理与信息工程学院 Micro-LED 显示技术，VR/AR张 波 国家百千万人才工程电子科技大学电子工程学院功率半导体技术研究表3丨中国第三代半导体产业研究机构分布图（来源：DeepTech）第三代半导体材料和技术正在加速发展，在新一代显示、5G 移动通信、相控阵雷达、高效智能电网、新能源汽车、自动驾驶、工业电源、消费类电子产品等领域展示出广阔的、不可替代的应用前景，并逐渐成为人工智能、未来智联网等发展的核心关键元器件的材料基础。预计将形成万亿美元的应用市场，成为新一代制造业必争的战略要地，成为全球各国提升未来核心竞争力的重要手段和重要支撑。更大尺寸晶圆将成为主流，材料质量与器件性能不断提升生产成本成为推动大尺寸晶圆的主要推动力，较大的晶圆直径能提升单晶利用率降低晶圆制造成本，且全球先进水平已经突破大尺寸晶圆生长技术，如 wolfspeed 即将实现 8 英寸 SiC 晶圆量产，而国内主流尺寸为 4 英寸，加速实现 6 英寸 SiC 衬底和外延材料的产业化转移成为中国企业的必然选择。不断开发新工艺和新技术，降低材料的缺陷密度、提高产品良率和降低成本，加速突破衬底材料、外延、芯片和封装测试瓶颈将成为整个行业未来发展的主旋律。产业集群发展态势将逐渐形成，企业兼并重组整合加速中国第三代半导体工程化技术已经取得突破，有能力的企业进行产业化布局，支持政策完善、配套资源齐全、产业生态较好的区域将吸引企业落户，形成产业聚集，未来中国将围绕这些区域形成多个产业集聚区。另外，企业间的兼并重组也将加剧，全球主要企业如-、wolfspeed 等已经开启整合模式，中国优势企业为了扩大影响力也将通过兼并重组向上下游延伸；传统半导体企业为了寻求新的利润增长点以及布局新技术的需要，也将并购具备硬实力的初创公司；下游应用企业从自身供应链安全考虑，也将向上游延伸产业链。第三代半导体渗透将加快，新的应用蓝海将逐渐开启第三代半导体材料在新能源汽车、PV 光伏、消费类电子产品、轨道交通、半导体照中国第三代半导体材料未来展望18明、5G 射频等方面应用优势明显，随着第三代半导体量产技术突破、成本进一步降低，渗透率将逐步提高。电力电子器件在新能源汽车上的应用、光电子器件在Mini/Micro-LED 等新一代显示产业及 UV-LED 方面的应用将成为未来 5 年新的风口。新的材料体系将逐渐成熟Ga2O3、AlN 和金刚石等超宽禁带半导体材料具有更高击穿电压、更低导通电阻、更高频率、更大功率的特点，是支撑未来轨道交通、新能源汽车、能源互联网等产业创新发展和转型升级的重点核心材料。国外近几年对超宽禁带半导体愈发重视，布局和投入显著增加，中国也有越来越多的科技人员关注和开展对超宽禁带半导体的研究，前景为业界看好，未来几年会逐步推出相关产品。中国第三代半导体材料未来展望19 锂离子电池材料：跳跃在汽车电动化浪尖的关键新材料 磷酸铁锂和三元材料优势各有不同，是目前正极材料市场主流的研究方向 负极材料：石墨材料主导市场，新型负极材料具备潜力 电解液材料：新型材料成本过高，固态电解质另辟蹊径 隔膜材料：聚烯烃隔膜工艺成熟，新材料性能优越成本高昂 中国锂电材料产业发展动力：下游市场蓬勃发展，政策提供多元化支持 中国锂电材料技术：低成本、高性能、高安全性是发展方向 中国锂电材料产业：完整产业链和政策引导为锂电材料产业带来巨大潜力20新型锂电材料Chapter 2锂离子电池材料：跳跃在汽车电动化浪尖的关键新材料汽车电动化浪潮驱动锂离子电池材料行业飞跃发展。不管从国家政策支持力度还是市场化发展程度来看，汽车电动化趋势已然不可阻挡。在政策支持方面，中国出台了全方位的激励政策推进产业发展，如降低车企准入门槛、延长补贴政策期限等系列举措，基本覆盖了新能源汽车整个产业链；在市场化发展方面，不论是比亚迪、吉利汽车等各大传统车企，还是蔚来、小鹏、理想等新势力车企都在跑马圈地。动力电池作为新能源汽车核心零部件之一，需求也随之猛增。其中锂离子动力电池因具有更高的能量密度和性能，是目前新能源智能汽车上应用的主流电池。锂离子电池是一种可以反复进行充电、放电而使用的高能电池，其充放电功能通过锂离子在电池正负极处中进行可逆的嵌入与脱出实现。锂离子电池由正极材料、负极材料、隔膜和电解液构成，这四种材料被称为锂离子电池四大主材。2021 年中国新能源汽车占全球市场份额 53%，是全球最大的新能源汽车市场，这也助推中国锂电材料产业迅速发展，在材料技术领域和产业园区建设有所建树。本章聚焦锂电材料前沿技术与中国锂电产业园区，对中国锂电材料产业进行分析。21图8丨锂离子电池充放电过程的工作原理（来源：Howstuffworks）磷酸铁锂和三元材料优势各有不同，是目前正极材料市场主流的研究方向锂离子电池通过电池正负极处的锂离子嵌入和脱嵌来实现充放电功能，正极材料作为锂离子的来源，能够决定电池的性能，同时正极材料也是电池材料中规模最大，产值最高的环节，占比电池材料成本的约 40-44%。从分类来看，目前商用的锂离子电池正极材料主要分为：锰酸锂、钴酸锂、磷酸铁锂和三元材料等。其中，磷酸铁锂和三元材料是目前正极材料市场主流的研究方向。从各材料优势来看，三元材料容量领先，磷酸铁锂以成本和寿命见长。由于三元锂电池在能量密度上占据优势，近几年其在乘用车领域得到广泛应用；磷酸铁锂以成本与寿命领先，使用磷酸铁锂电池车型具备长寿命、高安全性、高性价比等优势。从市场应用情况来看，使用三元材料和磷酸铁锂的锂离子电池支撑起了中国动力电池市场。2020 年，中国动力电池装车量累计 63.6GWh，同比累计上升 2.3%。其中三元电池装车量累计 38.9GWh，占总装车量 61.1%；磷酸铁锂电池装车量累计 24.4GWh，占总装车量 38.3%。22磷酸铁锂三元材料镍钴锰 镍钴铝分子式LiFePO4LiNiCoMnO2LiNixCoyAlzO2晶格结构橄榄石层状层状克容量mAh/g130140155164140190电压平台3.2V3.5V3.7V合成工艺容易较难难安全性能优秀较好较差循环性能2000次800次800次表4丨磷酸铁锂与三元材料性能参数（数据来源：GGII、CNKI）三元正极材料：拥有高比容量优势的高镍材料已成为市场焦点20 世纪 90 年代，以钴酸锂为正极材料的锂离子电池开始商业化应用，为锂离子电池的发展奠定了基础。三元正极材料在钴酸锂的层状结构基础上，对成本、比容量、循环性能等方面进行了优化，形成了以镍钴锰酸锂（NCM）和镍钴铝酸锂（NCA）为主的三元正极材料体系。随着市场对新能源汽车续航里程要求的提升，拥有高比容量优势的高镍材料成为关注的焦点。由于钴元素在地球储量低，价格昂贵，因此使用价格较低的镍来降低正极材料中钴的比例从而控制成本的方法被广泛认可。同时，研究表明三元材料中的镍含量越高，比容量越大，在相同条件下对应的电池能量密度越高，这些材料也被称为高镍正极材料。常见的高镍正极材料有镍钴锰比例为 8:1:1 的 NCM811 以及镍钴铝比例为 80:15:5 的镍钴铝酸锂（NCA）。但镍含量的提高也增大了正极材料前驱体的生产难度。尤其是NCA材料前驱体的生产过程中，铝元素的加入使前驱体的生产难上加难，复杂的生产工艺限制了高镍三元材料的普及使用。因此目前在三元正极材料研究方向上，研究人员一方面攻关生产工艺，降低生产难度，提高产品质量；另一方面通过元素掺杂、表面包覆等手段，对三元材料进行改性，优化产物的电化学性能。同时，三元正极材料也在继续向低钴化、无钴化方向发展，以期提升电池容量，降低成本。23图9丨三元正极材料NCM层状结构示意图（来源：CNKI）磷酸铁锂：低成本、长寿命等优势带来强大市场竞争力磷酸铁锂性能良好，且原材料价格较低，制备工艺简单，广受市场认可，成为现今动力、储能锂离子电池领域研究和生产开发的重点。与层状结构的钴酸锂正极材料和三元正极材料不同，磷酸铁锂为橄榄石结构，其结构中牢固的 P-O 共价键在电池完全充电的情况下使氧原子保持稳定，避免其被氧化而生成氧气释放。这一结构特征使磷酸铁锂的安全性高于层状结构的正极材料，在电池上的体现便是使用磷酸铁锂作为正极材料的电池安全性高、使用寿命较长。但磷酸铁锂材料导电性差，低温条件下放电性能较差，比容量不及三元正极材料。为了改善磷酸铁锂正极材料的性能，研究人员通过元素掺杂提高磷酸铁锂的倍率性能，或是通过将磷酸铁锂颗粒纳米化来改善锂离子传输问题；通过界面包覆手段改善其电子导电性，提升倍率性能等。尽管磷酸铁锂正极材料存在少量不足，但瑕不掩瑜，磷酸铁锂将与三元材料形成互补关系长期共存。24图10丨磷酸铁锂充放电示意图（来源：CNKI）负极材料：石墨材料主导市场，新型负极材料具备潜力在锂离子电池充放电过程中，来自正极材料的锂离子在负极材料处进行嵌入/脱嵌，负极材料对锂离子电池的性能有重要影响。石墨材料凭借较高的稳定性和较低的成本，成为当下负极材料的主流。当前商业化的石墨负极材料的比容量已经接近理论值372mAh/g，因此负极材料的突破需要在新材料上发力。以碳硅复合材料为代表的硅基负极材料具有明显的比容量优势（理论比容量可达900mAh/g）。同时硅基负极材料具备原材料成本低等优点，是目前学术界和产业界正在探索的新型负极材料。然而以目前的研究和实践来看，硅的结构单元在充放电过程中伴随着 300%的体积膨胀和收缩，反复的体积变化易导致含硅负极材料颗粒产生裂纹并粉化，产生一系列严重问题，阻碍了硅基负极材料的广泛应用。锂金属负极材料由于其高达 3860mAh/g 的理论容量和最低的还原电位（相对标准氢电极-3.040V）而被视作锂电池负极材料的最终选择。但同时锂金属负极材料的缺点也十分明显，不可控的锂枝晶生长和不稳定的表面 SEI 膜等问题亟待解决。目前的研究方向以选择寻找适合的载体结合和金属锂表面人工保护层设计两方面为主。25图11丨使用复合固态电解质 SCE 抑制锂金属负极材料锂枝晶生成的案例（来源：Progress and Perspective of Ceramic/Polymer Composite Solid Electrolytes for Lithium Batteries）电解液是锂电池关键材料之一，由锂盐、溶剂和添加剂按一定比例配制而成，是锂离子电池中锂离子传输的载体，在正负极之间起到传导锂离子的作用。相比于其他电解质，六氟磷酸锂在常用有机溶剂中具备适中的离子迁移数和解离常数，与多种正负极材料相容性较好，同时工艺成熟，成本较低，是目前主流的溶质锂盐。双氟磺酰亚锂盐等高性能新型锂盐广受关注。随着正极材料性能的不断提升，锂离子电池对电解液的要求也日益增高，双氟磺酰亚锂盐等具备高性能的新型材料成为了锂盐的新选择，但目前生产技术难度大导致其成本居高不下，目前尚未直接用作溶质锂盐，而只能作为电解液添加剂来提升电解液性能。以安全见长的固态电解质是新型解决方案。传统电解液由于使用有机碳酸酯类作为溶剂，具有高活性、易燃烧等问题，在充电过充、过热和短路时易发生自燃和爆炸。随着市场对电池安全的需求日益增长，具备不可燃、无腐蚀、不挥发特性的固态电解质成为新型解决方案，可为锂离子电池带来更多的可能性。但目前固态电池技术尚不成熟，现有材料存在着离子电导率低、界面阻抗大、快充难度大和价格昂贵等问题。固态电解质材料技术成熟后，将为锂离子电池材料体系带来变革。电解液材料：新型材料成本过高，固态电解质另辟蹊径26图12丨使用硫银锗矿型固态电解质的固态锂离子电池结构示意图（来源：High-energy long-cycling all-solid-state lithium metal batteries enabled by silvercarbon composite anodes）隔膜材料：聚烯烃隔膜工艺成熟，新材料性能优越成本高昂聚烯烃隔膜材料成本较低、工艺成熟，是市场上主流的隔膜材料。隔膜在锂电池中的功能主要是提供锂离子传输通道，防止电池内部短路，对锂电池的安全与性能有关键作用。目前隔膜的基膜材料以聚烯烃为主，代表材料为 PP（聚丙烯）和 PE（聚乙烯）。聚烯烃隔膜以其高强度、优良的化学稳定性和低价格占据着目前 3C 电池的主要市场