李言荣院士：元器件，中国电子产业的“瓶颈”

中国电子产业面临巨大危机！而突围的关键，就在于核心元器件的自主研发。这就对集成器件的研究提出了很高且十分紧迫的要求。

2012年7月7日，第16届全国固态离子学学术会议暨下一代能源材料与技术国际研讨会在我校沙河校区拉开帷幕。李言荣院士应邀就集成电子信息薄膜材料做了特邀报告：

一、高端器件：我国信息产业的“瓶颈”

我国电子信息产业去年已达9.3万亿人民币，今年要超10万亿了，是名副其实的第一大支柱产业。我国现在生产整机电子产品的增长速度达到了30%左右，并且增速还在提高。去年我国生产了11亿部手机、3亿多台笔记本电脑、1亿多台彩电，产量位居世界第一。

然而，电子信息产业的利润率这几年非但没有很大增加，反而有所下降。去年的利润率只有2.54%，比钢铁的利润率都低。受铁矿石资源短缺、物流成本抬高等因素的影响，中国钢铁行业年销售利润率连续两年不到3%，远低于全国工业行业6%的平均利润水平。据报道，在钢铁企业普遍微利的背景下，“钢铁侠”武汉钢铁(集团)公司已投入390亿发展非钢产业，甚至包括养猪、种菜。然而，即便如此，也比“第一大支柱产业”电子信息行业的利润率要高。

那么，电子信息产业的利润率为何如此低下？

这是因为，我们花了大量的钱去进口新型的电子元器件。去年我国指出2574亿美元进口与整机配套的各种元器件。这项花销实际上已经远远超过石油进口开支。我国已是一个石油消费大国，去年消耗4.5亿吨，国内供油2亿吨，其他缺口都依赖进口，但即便如此，我国的石油进口花费去年也只有1967亿美元，远远低于元器件进口开支。正是如此，我们在庞大的信息产值中仅仅拿到了微薄的“加工费”。

而对核心器件的不断增长的需求，就意味着我们为跨国公司输送了更多的血汗。我们生产的整机产品越多，需要进口的元器件的增量也就越多、增速越快。去年，我国对大大小小的各种芯片的使用量超过了2000多亿块，其中2/3以上都靠进口；有的行业更高，达到80%的进口比例；包括手机、电视、笔记本电脑在内的高端器件，几乎百分之百依赖进口；中央处理器（CPU）几乎是一片空白。

诚然，我国每年也要生产800多亿块芯片，但这些都是给玩具、钟表等技术含量比较低的产品配套的。这类芯片我国虽然也可以大规模生产并大量出口，但根本无法抵消高端元器件进口的逆差。

二、战略失误：“市场换技术”收效甚微

我国的元器件生产商已足够多了，但我们还处于国际产业链的中低端。目前，我国直接生产元器件的企业有7800多家，如果包括产业上游、下游的企业，可能超过1万多家。去年的元器件产量达2.7万亿只，占了全球的40%。广东东莞那一带是元器件生产的中心地域，看起来十分繁荣。但是，我们依然处于全球技术产业链的中低端。随着我国电子信息技术的发展，虽然现在稍微有点进步——以前更加残酷，处于产业链最低端——但依然处于产业链中低端。那些必须进口的、高附加值的关键元器件，主要是片式元器件、多功能元器件和集成元器件，我们都还无法规模生产。

我国还算比较重视电子信息产业，为何发展水平如此低下？

“九五”时期，我国信息产业还很弱小。为了加快电子信息产业的发展步伐，我国采取了“以市场换技术”的发展战略，即通过开放我国国内市场、引进外资、引进跨国企业，并进一步引进先进技术。事实证明，这是我们的一厢情愿。

到了“十五”后期，我们才发现，这种发展思路收效甚微。我们的市场是开放了，外资也进来了，但他们只占领市场，并不传授技术，不让中国本土的企业消化吸收。特别是在一些基础的材料和元器件领域，虽然我们跟自身相比有所进步，但比起九五之前我国与国外的差距，非但没有缩小，反而进一步拉大了。

危机并未消解，反而进一步加深。两个“五年计划”，十年时间！我们浪费了十年时间，换来了一个教训，那就是，技术不是换来的。

十年里，跨国公司占领了中国电子信息产业的大半市场，超过1200多家的跨国企业纷纷在中国成立了自己的研发机构，撇开中国本土企业自己做后备研发，不断结合中国市场推出新产品。有的公司在中国扎根落户以后，它的研发人员可以达到三、五千人。

十年里，我们以前做产品研发的主要研究院所，在改制以后，研发力量逐步削弱，数量急剧减少。一些基础扎实的研发人才，也向跨国公司设在中国的研发机构流动。另一方面，我国国内培养的电子信息人才也大量出国，流失严重。

无法解除电子元器件的对外依赖，“打工经济”就无法破除。可以说，高端元器件的研发与生产，关系到我国信息产业的振兴与繁荣，关系到信息产业在国际竞争中的竞争能力。对元器件的研究，可谓任重而道远！

三、自主创新：缩小差距的必由之路

缩小差距，中国在行动！特别是从“十一五”开始，我国开始重视电子元器件的自主研发。清华大学和广东风华高新科技股份有限公司这样的企业合作，在民用电子元器件方面取得了较大进展；电子科大在军民两用电子元器件方面，特别是在MLC（即“多层单元闪存”）的片式电容、电阻、电杆等片式器件方面，也付出了艰辛的努力。这些产品跟日本等国家相比尚有很大差距，但毕竟有了提高。

在多功能模块器件方面，这些年，国内已经建立了十几条LTCC低温共烧技术生产线。但要去的突破，主要的问题还是材料。国内的研发也开始有了改善，研发机构与企业开展合作，推出了一些产品，但总体而言，尚处于中端偏低的水平。

在集成器件方面，我们与国外的差距依然较大，其本质问题还是材料。因为要做集成期间，材料就必须薄膜化，跟半导体材料集成到一起，这样器件才能做得小。电子器件的主要发展趋势是单片集成，特别是“全单片集成”，即把信息的探测、传输、存储、现实、处理等五种功能都集成到同一个器件上，以使器件的体积越来越小，速度越来越快，功耗越来越低。要达到这一步，就要把分区的薄膜材料跟半导体集成，形成一个整体，而不仅仅是分立连接。

因此，电子信息产业要取得突破，就必须在薄膜化方面取得突破。目前，通过混合集成，我们已经创造出了可手持的体积小、功能大的电子产品。未来如果实现“全单片集成”，电子产品的体积将更加微小，更能将更加强大；在军用领域亦然。更加先进、尖端的军事科技，要求电子器件有更加强大的功能，这就要求电子器件必须向集成薄膜方向发展。

四、集成薄膜：电子器件发展的方向

如何实现薄膜化？电子材料主要有半导体材料与功能材料两大类。半导体材料已经发展了六十多年，总体来说要推出新的半导体材料已经很难；而功能材料则非常多，介电材料、磁性材料、光电材料等，种类繁多，日新月异。之前，这两种材料都是独立发展的；而现在，我们可以通过薄膜化技术，把它们集成到一起。

现在所用的半导体芯片，已经高度集成了，并且小到它的物理极限，或者说小到了我们目前的技术极限，而且大多以块体、分离的方式集成，处于向片式集成的过渡阶段。所以，它的体积和重量占了一个系统的绝大部分。而要使一个系统小，就要高度集成。因此，当前的主要任务就是要改造这些无源器件，使其能够与半导体集成到一起，使其薄膜化，即片式集成，而不是块体集成。

实际上，片式集成早在上个世纪80年代就已经有了成功的例子。2004年，美国开始做一种更加成熟的集成，即所谓“真正的集成”。美国几所大学和国家实验室，通过分子束外延生长的办法，可以在半导体上把一些功能材料外延生长上去。这一技术，被美国认为是未来电子材料的革命性发生技术。以前的介电材料的所谓“薄膜化”，是用多晶材料制作的，这跟单晶材料相比，具有数量级的差别，性能相差太远。因此，分子束外延的方法，是个非常大的进步。

这些年，我们实验室（电子薄膜与集成器件国家重点实验室）主要的工作，就是尝试把半导体和功能材料集成到一起，并考察几种功能参数的变化规律。我们首先考察的是氮化镓——这是一种宽禁带半导体材料。后来，我们又考察了氧化镁等，最终找出了一种组合缓冲层制作方法，成功解决了两类差别很大的材料的集成生长问题。

生长成功以后，材料的性质如何变化呢？这里有两个考察指标：第一，生长的材料性能要好；第二，生长的材料，不能破坏下面的半导体的性能。如果破坏了半导体性能，就得不偿失了，说明生长得不成功。因此，我们首先生长出了介电层。其次，测试其移动电荷，并进而测试其界面态。实验证明，生长的材料对下面的半导体功能基本没有影响，这就说明，功能材料的生长是成功的。有了这个技术，我们就可以做器件了。

简而言之，集成电子信息薄膜材料大有可为。集成薄膜材料是未来单片系统或微小型化器件的关键材料基础；集成电子材料里面最重要的就是界面控制，而组合缓冲层或者说超薄缓冲层，是一个解决界面控制的有效办法；电子材料从块体到薄膜再到多层异质结构，是电子信息材料未来发展的重要方向，设计和制造多种集成结构是一条全新的发展道路，具有很大的创新、发展空间。

（本文根据报告录音整理，有删节；标题为整理者所加；未经作者本人审阅。整理人：王晓刚。）