2.1　美国第三代半导体材料相关科技政策

2000年以来，美国国防部、能源部、科学技术委员会及其部分产学研机构纷纷制定有关GaN、SiC等半导体材料的开发项目，聚焦于电子器件、光电子器件和柔性电子器件研究开发的政策与措施。

2002年，美国国防高级研究计划局（DARPA）启动宽禁带半导体技术计划（Wide Bandgap Semiconductor Technology Initiative）。

2010年，美国推出宽禁带半导体技术创新计划，推动高性能SiC、GaN材料在雷达、武器、电子通信与对抗等系统中的应用。

2011年，美国国防高级研究计划局微系统技术办公室（DARPA/MTO）启动氮化物电子下一代技术（Nitride Electronic Next Generation Technology，NEXT）计划，主要推动GaN材料在高频领域的应用。同年，美国能源部提出下一代照明光源计划（NGLI）和固态照明（SSL）研发计划。其中，NGLI为期10年，耗资5亿美元，旨在用固态光源替代传统灯泡。SSL研发计划中的多年研发项目计划提出LED封装价格和性能的发展规划。

2012年，美国提出国家制造业创新网络（NNMI），计划建成的9家创新中心中有3家涉及第三代半导体研发。

2013年，美国奥巴马政府宣布成立清洁能源制造创新学院，该学院重点聚焦宽禁带半导体电力电子器件技术的研究和发展，以生产成本更低、性能更好的电子产品，满足未来的电力需求。同年，美国能源部高级能源研究计划署（ARPA-E）提出控制高效系统的宽禁带半导体低成本晶体管（SWITCHES）战略。ARPA-E将向14个项目投资共计2700万美元，以开发下一代功率转换器件，使电网中控制和转换电能的方式发生巨大变革。

2014年初，奥巴马在北卡罗来纳州立大学宣布，以该校为核心建立下一代电力电子技术国家制造业创新中心，加速、加强宽带隙半导体技术的研发和产业化，这在2015年发展成电力美国制造业创新中心。同年，奥巴马还亲自主导成立了美国SiC产业联盟，以SiC半导体为代表的第三代宽禁带半导体，获得了美国联邦和地方政府的合力支持。

2016年2月，美国能源部建立固态照明研发工作室。同年，美国更新了固态照明研发计划。这一系列举措确定了美国未来3年LED及OLED照明解决方案，即以宽禁带半导体技术为基础，提高光效、消除使用的障碍、降低成本，并且驱动、优先考虑特定技术研发的应用。

2017年1月6日，美国总统科学和技术顾问委员会（PCAST）发表《确保美国在半导体领域的长期领导地位》报告。报告指出，美国半导体在创新、竞争及完整性方面正面临重大挑战，而因移动计算、物联网等新兴应用大增的半导体需求带来了网络安全风险，同时中国大力打造半导体产业链已对美国构成了威胁。为维持美国在半导体领域的领先地位，加强半导体产业的竞争力和创新，PCAST建议遵循四点原则：采取应用驱动型方案、以10年为一个阶段、补偿弱势产业的投资，以及降低设计成本。该报告认为未来计算机系统架构研究（如冯·诺依曼架构、量子计算、神经形态计算、模拟计算、特定目的架构、近似计算等）蕴藏着机遇，计算模式研究（如嵌入式系统、个人和便携式系统、超大规模系统）可能产生变革，未来10年可能取得突破并成功部署的组件技术包括光子学、传感器、CMOS（7nm以下或新的3D架构）、磁性元件、3D架构、基于数据流的架构、超高性能无线系统、作为SRAM的先进非挥发性存储、碳纳米管与相变材料、生物技术/人类健康、点式使用3D打印、面向计算与存储的DNA等。

2017年3月30日，美国半导体行业协会（SIA）和半导体研究公司（SRC）联合发布《半导体研究机遇：行业愿景与指南》报告，明确了半导体产业链上14个关键研究领域及其在未来10年内的潜在研究主题、已开展的主要研究计划、研究战略建议，旨在推动人工智能或增强智能、物联网（IOT）、超级计算及其相关应用等关键未来创新技术的发展，呼吁政府和业界加大投资力度，开发超越传统硅基半导体的新技术和下一代半导体制造方法，继续加强美国的经济和技术实力。14个研究领域分别是：先进材料、器件和封装，互联技术和架构，智能内存与存储，功率管理，传感器和通信系统，分布式计算和网络，认知计算，生物启发计算和存储，先进和非传统架构与算法，安全与隐私，设计工具、方法和测试，下一代制造范式，与环境健康和安全相关的材料和工艺，新型测量与表征。

2017年3月，美国国防高级研究计划局设立动态范围增强型电子和材料（DREaM）项目，主要研究晶体管用于产生和接收射频、微波信号，应用领域主要是国防领域通信、信号情报和电子战等，旨在显著改善从无线电通信到雷达的电磁频谱管理，寻求毫米波系统中具有突破性动态范围的射频晶体管的新设计和材料。研究方向包括新材料和晶体管线性度。新材料将能够容纳更多电荷，承载更大电压，且性能不低于现有材料，有助于开发更高功率、更强能力的晶体管。晶体管线性度方向重点是研究晶体管处理宽频率范围信号的线性度，将研究非常规晶体管结构，如非平面和丝状晶体管结构、未出现的几何结构和布局等。其中，休斯研究实验室（HRL）开发下一代GaN晶体管，其具有显著改善的线性和降低的功耗，用于诸如无线电通信和雷达领域；美国Qorvo公司开发输出功率高达1.8kW的GaN-on-SiC RF晶体管；美国Custom MMIC公司推出具有高输入功率处理能力的新型GaN低噪声放大器。

2017年6月1日，美国国防高级研究计划局宣布启动电子复兴计划，计划在未来5年时间里投入20亿美元经费，联合国防供应基地、学术界、国家实验室等机构发展新兴技术产业，开启下一次电子革命，推动美国电子行业向前发展。

2017年8月，美国ARPA-E宣布使用创新的拓扑结构和半导体创造新型可靠电路（CIRCUITS）计划，将投资3000万美元资助21个项目。

2019年7月16日，美国国防高级研究计划局微系统技术办公室推出微系统探索计划新项目。该项目将为高风险、高回报的研究进行一系列短期投资，主要投资方向为电子材料（掺钪氮化铝）、设备和系统等领域。

2.1.1　宽禁带半导体技术计划

2002年美国国防高级研究计划局提出的宽禁带半导体技术计划分为3个阶段。

（1）2002—2004年为第一阶段，将市售SiC衬底直径由2英寸增加到3英寸，同时开展4英寸SiC衬底的研究，并于2006年实现了商品化。美国科锐（Cree）公司进一步推进了GaN基高功率、高效X波段器件研制。在计划第一阶段内还成功开发出场电极技术，使电力电子器件获得极高的击穿电压和输出功率。

（2）2005—2007年为第二阶段，主要实现GaN基高可靠性、高性能微波与毫米波器件的工程化生产。

（3）2008—2009年为第三阶段，主要研制GaN基高可靠性、高性能单片微波集成电路（Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC）。美国还在第二、三阶段期间建立了MMIC的全面设计、生产与封装技术。

2.1.2　下一代电力电子技术国家制造业创新中心和电力美国制造业创新中心

为通过加强宽带隙半导体技术的研发和产业化，使美国占领这个正在出现的、规模最大、发展最快的新兴市场，涵盖从家用电器到工业设备制造、从电信技术到清洁能源技术等众多领域，为美国创造出一大批高收入就业岗位，2014年1月，美国总统奥巴马在北卡罗来纳州立大学宣布，以该校为核心建立下一代电力电子技术国家制造业创新中心（The Next Generation Power Electronic Manufacturing Innovation Institute）。下一代电力电子技术国家制造业创新中心（可简称为电力电子技术创新中心）主要聚焦于发展宽禁带半导体电力电子技术，目标是通过对宽带隙半导体技术的研发，制造出比目前硅基电力电子设备更具性价比的下一代节能、大功率电子芯片和器件，并通过对电力电子设备的改进，使汽车、消费电子和电网等更快、更小、更高效。美国能源部先进制造业办公室将在此后5年里向电力电子技术创新中心提供7000万美元的财政支持，另外还将有7000万美元配套资金分别来自企业、高校等创新中心成员和北卡罗来纳州政府。电力电子技术创新中心将建立一个协作网，不仅致力于下一代电力电子设备研究，还将制造、演示和调配新电力电子器件，提高产品性能，以及产生更广泛深远影响，包括对地区和全美商业活动、劳动力技能、制造业竞争力和培育未来经济增长点等方面的影响。

电力电子技术创新中心总部位于北卡罗来纳州立大学，其中包括供中心成员分享的研发设施和实验设备，以及劳动力开发与教育项目等。目前成员包括18家企业、7家大学和实验室。18家企业涉及一些世界领先的宽禁带半导体制造商和重要的最终用户，包括ABB公司、阿肯色（Arkansas）电力电子国际公司、Avogy公司、科锐公司、约翰·迪尔（John Deere）公司、德尔福（Delphi）汽车公司、台达（Delta）产品公司（全球知名的电源管理产品生产商）、DfR Solutions公司（电子行业质量、可靠性与耐用性解决方案供应商）、GridBridge公司、黑森机电（Hesse Mechatronics）有限公司、贰陆（Ⅱ-Ⅵ）公司（全球知名的光学元件和材料生产商）、IQE公司（硅片供应商）、Monolith半导体公司、RF微器件公司（高性能射频组件及复合半导体技术设计和制造领域的全球领导者）、东芝公司、Transphorm公司、United Silicon Carbide公司、Vacon集团（全球领先的变频驱动及逆变器产品制造商）。7家大学和实验室主要包括北卡罗来纳州立大学、亚利桑那州立大学、佛罗里达州立大学、美国国家可再生能源实验室（NREL）、加州大学圣塔芭芭拉分校、美国海军研究实验室、弗吉尼亚理工学院和州立大学。

2015年1月，下一代电力电子技术国家制造业创新中心进一步建设、发展为电力美国（Power America）制造业创新中心（可简称电力美国）。电力美国制造业创新中心将为企业提供贯穿电力电子供应链的公用设施、设备、测试和建模服务，特别是为小型和中型制造业企业，以帮助他们发明、设计和制造新的半导体芯片和器件。电力美国制造业创新中心还将为芯片设计和制造商与大型电力电子制造商和供应商提供市场供需配对（如约翰·迪尔公司和德尔福汽车公司），加快这些技术推向市场的速度，并向美国劳动者提供培训、高等教育课程和实习机会，以满足宽禁带半导体产业发展需求，保持美国在该产业领域的全球竞争力。

电力美国制造业创新中心有5个重点发展领域：①管理、运营和研究可持续性；②铸造业务和设备；③功率模块封装和电力电子组件的集成、测试与可靠性；④加速宽禁带半导体在电力电子领域的应用；⑤教育和劳动力发展。

表2.2列出了电力美国项目（2018—2019年），主要集中在SiC和GaN功率半导体器件的制造、宽禁带电力电子架构和组件，以及有望提高性能、降低成本和创造美国制造业工作的封装和制造工艺，期望在大批量商业上可行的电力电子应用中演示宽禁带半导体器件。项目对承担单位提出要求，需要在公司之间及公司、国家实验室、大学之间进行组合。

2.1.3　电子复兴计划

为了推动电子行业的创新，2017年6月1日，美国国防高级研究计划局宣布启动电子复兴计划（ERI），计划在未来5年时间里投入20亿美元经费，旨在超越传统器件微型化的局限，在不再持续缩小尺寸的情况下，通过重点开发全新微系统材料、电子器件集成架构、软硬件创新设计实现电子器件性能的持续提升，推动美国半导体技术的变革性创新发展。该项目是对美国国防高级研究计划局与美国半导体研究公司（SRC）联合资助的联合大学微电子项目（JUMP）的补充。该项目将为下一代逻辑和存储器件提供候选材料，将不同的半导体材料集成到兼具处理和存储功能的单芯片、黏性逻辑（sticky logic）器件上，采用的是垂直而非平面的微系统元件集成方式，探索在无需更小晶体管的情况下利用非传统电路元件来显著提高电路性能。

美国政府希望通过ERI，为更加强大、安全、高度自动化的电子行业奠定基础，将美国电子行业从一个通用硬件时代转移到专业系统时代。ERI的第一阶段是通过探索新颖的电路材料、架构和设计专业化来保持竞争力所需的研究和开发的重大投资。ERI的第二阶段旨在扩大投资，推动向半导体制造迈进，从而实现专用电路；验证这些电路可以通过供应链被信任，并且在构建时考虑到安全性；最终可供国防部和商业部门用户使用。

2018年7月23日，美国国防高级研究计划局在旧金山召开ERI的首次峰会，并计划每年召开一次会议，首次峰会重点关注ERI的三大支柱：新的芯片架构、集成电路设计和材料及集成。

ERI的芯片架构研究集中在可重构的框架上，这些框架利用专用硬件来解决特定的计算问题。软件定义硬件（SDH）的参与者包括英特尔公司、NVIDIA、高通公司、系统与技术研究所、佐治亚理工学院、斯坦福大学、密歇根大学、华盛顿大学和普林斯顿大学等。这项硬件结合“特定领域”SoC的项目工作于2018年秋天启动。与此同时，NVIDIA将领导一个由行业和大学研究人员组成的团队，依托SDH项目寻求性能增益，其路径有些类似于今天的ASIC，不牺牲数据密集型算法的可编程性。芯片架构项目的目标之一是为硬件开发开源软件，包括机器学习。

半导体材料和电路集成方面主要解决若隐若现的性能问题，如困扰当前大数据应用程序的“内存瓶颈”。其中一项任务就是找到新的方法来组合基于各种材料和设计的不同IP核。例如，麻省理工学院、斯坦福大学和其他一些领先的工程学院的研究人员把重点放在新兴的三维SoC设计（3DSoC项目）及未来的方法上（FRANC项目）。3DSoC项目旨在开发材料、设计工具和制造技术，以便在单一衬底上构建三维微系统。3DSoC项目的参与者包括佐治亚理工学院、斯坦福大学、麻省理工学院、Skywater Technology Foundry公司和Cypress Semiconductor公司。FRANC项目旨在促进“利用新材料特性的电路设计和消除或减少数据流动的方式处理数据的集成方案”。FRANC项目的参与者包括加州大学洛杉矶分校、HRL实验室、应用材料公司、Ferric Inc.、明尼苏达大学和伊利诺伊大学厄巴纳−香槟分校。

2018年11月，ERI推出其研究重点的第二阶段。ERI的第二阶段旨在解决电子界在美国国防高级研究计划局于7月在旧金山举行的ERI峰会期间举办的一系列研讨会中提出的3个关键问题。这些关键问题包括：需要支持国内制造业选择，并使他们能够针对不同需求开发差异化能力；投资芯片安全的需求；在ERI项目之间建立新的联系，并在国防应用中展示最终的技术。

为了创造独特和差异化的国内制造能力，ERI第二阶段将探索传统CMOS微缩的互补和替代技术方案。该领域的第一个项目是极端可微缩性封装中的光子学（Photonics in the Package for Extreme Scalability，PIPES）项目，它将探索将光子学微缩的优势直接带入芯片的方法。PIPES项目专注3个技术研究领域，分别是：①开发与高级集成电路（IC）封装的高性能光输入/输出（I/O）技术，包括现场可编程门阵列（FPGA）、图形处理器（GPU）和专用集成电路（ASIC）；②研究新颖的组件技术和先进的链路概念，以实现高度可扩展的封装内光输入/输出（I/O）的颠覆性方法，实现前所未有的吞吐量；③创建低损耗光学封装方法，以实现高通道密度和端口数，以及可重新配置的低功耗光交换技术。除了技术开发外，该项目还旨在促进国内电子生态系统支持更广泛部署所产生的技术并扩大其影响，致力于建立一个国内生态系统，促进商业和国防部用户长期获得这些新的光子学能力。通过显著降低与数字微电子数据移动相关的能源需求和挑战，该项目可以减少将数百个GPU连接在一起所需的工作量，并实现大规模并行性，能够支持当前和新兴的数据密集型应用，如机器学习、大规模仿真和先进传感器。

与PIPES项目一起，其他ERI第二阶段投资旨在确保新型电子制造能力的发展，并支持为国防部及其商业合作伙伴持续提供差异化、高性能电子产品的战略。这对国防部很重要，因为它的电子制造需求众多且多样化，其系统具有独特的要求和特定的功能。尽管用于数字处理的传统CMOS微缩仍然是一个重要的投资领域，但许多与国防部相关的关键电子设备很可能来自替代和互补方案。ERI第二阶段的潜在探索领域包括将微机电系统（MEMS）和射频（RF）组件直接集成到先进电路和半导体制造工艺中。这些努力将建立在ERI材料与集成研究重点的现有工作基础上，补充当前的ERI项目，如FRANC、3DSoC和CHIPS等项目。

ERI第二阶段还将研究如何增加各种ERI工作之间的联系——从基础研究项目到技术应用项目，以及所有部门开发的ERI技术在国防特定系统中的新兴和未来应用。项目和最终用户之间的这些联系是ERI整体成功的关键，推动美国国防高级研究计划局向国防部及其合作伙伴提供差异化能力。正在制定的项目应有助于确保源自ERI的技术进步将对国家安全产生重大影响。潜在的探索领域包括大规模物理仿真中的ERI应用、认知RF系统、下一代卫星、网络安全等。

2.1.4　CIRCUITS计划

电力电子具有国家重要性，根据估算，到2030年，美国80%的电力将流经这些电力电子器件。第三代宽禁带半导体能够使器件在更高速度、电压和温度条件下工作，且封装尺寸更小、质量更轻，ARPA-E在之前大力发展第三代宽禁带材料和器件的基础上，2017年8月再次宣布使用创新的拓扑结构和半导体创造新型可靠电路（CIRCUITS）计划，将投资3000万美元资助21个项目，聚焦新型电路拓扑结构和系统设计，最大化第三代宽禁带半导体器件的性能。CIRCUITS计划将利用基于宽禁带半导体技术实现高效、轻质、可靠的功率转换器，将使用碳化硅或氮化镓等材料代替现有的硅材料，旨在加速节能的电力变换器的开发和部署。

美国政府希望通过CIRCUITS计划带来超快速、紧凑型电动汽车充电器，更高效的船舶推动系统，以及更轻的、能搭载更多乘客、需要更少燃料的空气动力学飞机。CIRCUITS计划的研究项目分为两类：第一类要指明通用变换器系统的进展，研发新的电路拓扑结构，控制和驱动电子器件、封装技术、热管理策略及通用转换器（≥10kW，≥600V）的电磁兼容性解决方案；第二类不限于变换器，希望在电力电子一个或多个特定领域超越前沿技术，包含但不限于电机驱动系统、汽车（电动和混合动力电动汽车）、电动汽车充电器、高性能计算、数据中心、电源、太阳能逆变器、风电系统、高/中压输配电、智能电网应用的电力电子技术，网格存储的能量转换、铁路/船舶推进、单片功率处理、机器人技术、多轴涡轮电梯和固态断路器。CIRCUITS计划资助的21个项目具体如下。

（1）Cree Fayetteville（Wolfspeed）公司，一类，资金191.2万美元，智能、紧凑、高效500kW电动汽车直流快速充电器。

（2）威斯康星州的伊顿公司，一类，资金198.8万美元，为数据中心或中压应用领域研发和验证基于SiC的无线功率变换器。

（3）加利福尼亚州Empower Semiconductor公司，二类，资金98.6万美元，开发新型架构谐振电压调制器，一旦成功可使数字集成电路能耗降低30%～50%。

（4）佐治亚理工学院，二类，资金152万美元，将开发使用SiC的中压（4～13kV）电网应用的固态变压器。

（5）伊利诺伊大学，二类，资金41.9万美元，用于交流和直流微型电网的宽禁带固态断路器。

（6）北卡罗来纳州新柏林的Image Energy公司，二类，资金84.8万美元，1200V基于SiC的非常紧凑的500kW、2000Hz高速永磁同步电机（PMSM）应用逆变器。

（7）英飞凌公司，二类，资金92.4万美元，低功耗E-GaN HEMT栅驱动集成电路，实现电动汽车变速驱动器的大幅节能。

（8）马凯特大学，一类，资金63.2万美元，高级并联谐振1MHz、1MW、三相交直流超快速电动汽车充电器。

（9）美国东北大学，一类，资金62.8万美元，用于直流、单相交流和多相交流系统的通用转换器。

（10）加利福尼亚州Opcondys公司，二类，资金306.1万美元，用于并网能量存储系统的双向、无变压器转换器拓扑结构。

（11）加利福尼亚州Teledyne公司，一类，资金160.2万美元，基于SiC的电动汽车直接AC/AC功率转换器。

（12）康涅狄格州联合技术研究中心Ⅰ，一类，资金190万美元，通过新型电流源矩阵转换器进行功率转换。

（13）康涅狄格州联合技术研究中心Ⅱ，二类，资金158.4万美元，先进电子系统用超高密度功率转换器。

（14）阿肯色州立大学，二类，资金2163.6万美元，重型设备用可靠的、高功率密度逆变器。

（15）科罗拉多大学博尔德分校，二类，资金243万美元，电动汽车电子用的高压、高可靠、可扩展架构。

（16）伊利诺伊大学芝加哥分校，一类，资金104.8万美元，通用电池超级充电器。

（17）伊利诺伊大学厄巴纳−香槟分校，二类，资金173.8万美元，实现超小型、轻便、高效、可靠、具有先进拓扑和控制的6.6 kW车载双向电动车辆充电。

（18）伊利诺伊大学厄巴纳−香槟分校，二类，资金78.1万美元，极高效交流240V加载数据中心供电拓扑和控制。

（19）威斯康星大学麦迪逊分校，二类，资金103.1万美元，用于集成电源管理电机驱动的宽禁带电流源逆变器。

（20）弗吉尼亚理工学院和州立大学，一类，资金234.4万美元，基于10kV SiC-MOSFET的高功率密度、模块化、可扩展的中压应用电力转换器。

（21）弗吉尼亚理工学院和州立大学，一类，资金104.9万美元，基于单个直流源的级联多级逆变器。